Era uma vez, se você abrisse as páginas de Espectro IEEE era possível encontrar anúncios de página inteira de computadores analógicos, gabando-se de sua facilidade de uso e até mesmo – no caso de um modelo embutido em um carrinho com rodas – de sua portabilidade. Os engenheiros conectaram potenciômetros e amplificadores operacionais para configurar representações de equações diferenciais complicadas e ler as soluções como tensões de saída variadas. Mas então os computadores digitais conquistaram tudo, tornando a computação analógica tão obsoleta quanto coesores de rádiotelevisores mecânicos e cartões perfurados. Quase.
Como outras tecnologias descartadas que tiveram retornos, como discos de vinil, tubos Nixie e dirigíveis, computadores analógicos têm seus adeptos lutando por um renascimento. Em 2017, Yannis Tsividis escreveu um artigo especial para Espectro descrevendo sua pesquisa na Universidade de Columbia sobre as possibilidades de chips de computador híbridos digital-analógicos. O elemento digital oferece facilidade de uso, enquanto o elemento analógico fornece soluções com eficiência energética para muitos tipos de problemas do mundo real.
Quando o artigo foi publicado, pensei que ele trazia alguns pontos convincentes, mas como um experimentador casual, eu realmente não tinha um bom caminho para a computação analógica. Isso mudou no ano passado quando vi aquela startup Anabrida estava oferecendo uma máquina analógica totalmente nova, por US$ 513 ISSO.
A principal tarefa de Anabrid é desenvolver chips híbridos analógico-digitais do tipo pioneiro de Tsividis.
É ISSO que visa aumentar a conscientização sobre as possibilidades da computação analógica moderna. ISSO é um acrônimo para The Analog Thing, e é uma pequena máquina de código aberto composta em grande parte por circuitos integrados de amplificador operacional.
O ISSO é menor do que as máquinas de nível industrial de antigamente, com apenas oito potenciômetros para definir parâmetros e cinco integradores, junto com uma coleção de verões de suporte, inversores, comparadores e assim por diante. Mas o ISSO não é apenas um brinquedo reduzido. Vários Thats podem ser encadeados se for necessário mais poder de processamento, e uma porta de conexão híbrida é fornecida para facilitar a interface de um That com um computador digital.
O ESSE computador analógico [left] possui soquetes para conexão de diversos componentes, como integradores, que correspondem a operações matemáticas. Eu exibi suas saídas usando uma tela LCD [top right]interface de protoboard [middle right] e Arduino Uno [bottom right].James Reitor
Como os computadores analógicos que outrora apareciam nos anúncios Espectro, o ISSO é programado conectando elementos que executam funções matemáticas com cabos curtos. Você precisa fornecer sua própria maneira de exibir as tensões de saída do That – para mim, pareceu apropriado conectar um osciloscópio analógico antigo que eu havia roubado do meu irmão mais velho há algum tempo, com base em princípios gerais.
Era hora de tentar um pouco de computação. Como já se passou um minuto desde a última vez que derrubei o Erwin Kreyszig Matemática de Engenharia Avançada para refletir sobre equações diferenciais, fiquei feliz em ver que o manual que acompanha o That está repleto de exemplos e diagramas de correção. Logo eu estava observando espirais de Euler e simulações de picos neurais florescerem em vida fosforescente, observando sua evolução enquanto girava os potenciômetros para ajustar os parâmetros.
Achei apropriado conectar um velho osciloscópio analógico que eu havia conseguido do meu irmão mais velho.
Mas eu queria testar a abordagem híbrida. A escolha natural foi basear-se no patch demo de Anabrid para um jogo de pouso lunar: começando acima da superfície com uma quantidade limitada de combustível, uma nave espacial controla a gravidade da lua. O jogador deve controlar a aceleração do motor da nave espacial girando um potenciômetro para que a nave pouse antes que o combustível acabe.
Com um osciloscópio, o jogo carece de um certo élan visual, com as leituras de combustível e altitude exibidas como duas linhas horizontais. E também falta um elemento crítico de qualquer jogo de pouso lunar: determinar se a velocidade da espaçonave no momento do pouso resulta ou não em um pouso elegante ou em uma nova cratera. Mas estas deficiências poderiam ser resolvidas digitalmente.
À esquerda estão as equações diferenciais que modelam o voo do módulo lunar em sua forma de livro didático. À direita está como eles são codificados nos elementos fornecidos pelo ISSO, como integradores e comparadores. Os números dentro dos círculos referem-se aos potenciômetros utilizados para definir os valores dos parâmetros.James Reitor
Para meu computador digital e display gráfico, desenterrei um Arduino Uno e um pequeno Escudo de tela sensível ao toque LCD. O display LCD usa quase todos os pinos de um Arduino Uno normal, mas duas entradas analógicas permaneceram disponíveis para ler as tensões que representam altitude e combustível.
Isso implicou sacrificar alguma precisão. Internamente, o That representa grandezas usando uma faixa entre -10 e +10 volts. Essa faixa completa iria coagular os conversores analógico-digitais integrados na maioria das placas de microcontroladores, de modo que o ISSO comprime e desloca essa faixa para a porta híbrida. Lá, as tensões variam entre 0 V e 3,3 V. O Arduino Uno opera a 5 V e lê com precisão de 10 bits, então a altitude e o nível de combustível acabam aproximados como números entre 0 e 675. Mas isso é tolerável, visto que meu O LCD tem no máximo 320 pixels verticais para exibir a localização da espaçonave acima da superfície.
Fiz uma protoboard Arduino com conectores para a blindagem do LCD e um cabo de fita que vai para a porta híbrida do That. É possível exercer algum controle ativo do ISSO através da porta híbrida, por exemplo, comandando-o para retornar às suas condições iniciais e resolvendo uma equação. No entanto, com apenas duas entradas analógicas disponíveis após acomodar a blindagem LCD, eu estava usando o Arduino como um display puramente passivo.
Eu escrevi um programa para exibir a superfície lunar e a espaçonave do jogador em estilo vetorial clássico. O combustível é exibido como uma barra horizontal decrescente. A velocidade é calculada e exibida amostrando a altitude da espaçonave cerca de 10 vezes por segundo e dividindo a mudança na altitude pelo intervalo de tempo entre as medições. Quando a altitude chega a zero, a velocidade é verificada e o jogador é informado se pousou com segurança, danificou sua espaçonave ou foi destruído com o impacto. O programa então espera até que o IS seja redefinido para outra tentativa.
Para minha surpresa, minha engenhoca híbrida funcionou perfeitamente. A espaçonave subia e descia no visor de acordo com as leis da física codificadas no ninho de fiação do ISSO, e vivia ou morria dependendo da minha habilidade com o acelerador. Como uma introdução a uma forma de computação agora estranha a quase todos os engenheiros, o ISSO é uma rampa de acesso tão bem projetada quanto você poderia desejar. Agora é hora de derrubar Kreyszig e começar a explorar meus próprios modelos físicos!
Este artigo aparece na edição impressa de janeiro de 2024 como “Um novo computador analógico”.