Conheça o simulador de voo das moscas!

Moscas são chatas e desagradáveis. Mas uma coisa é preciso admitir: elas são voadoras excepcionais - são rápidas, mudam de direção subitamente, pairam no ar, giram ao redor do próprio eixo durante o voo e conseguem pousar precisamente sem nenhuma desaceleração perceptível.

Inspirados nessas capacidades de voo e de manobras, e decididos a melhorar a capacidade visual dos robôs, cientistas da Universidade de Munique e do Instituto Max Planck, ambos na Alemanha, decidiram desvendar os segredos por trás dessas habilidades - afinal de contas, como é que o minúsculo cérebro de uma mosca consegue processar a multiplicidade de sinais e de imagens que chegam até ele a cada segundo?

Enquanto os robôs atuais têm dificuldades em navegar até mesmo entre objetos parados, as moscas são capazes de desviar de uma mão que tenta agarrá-las em uma fração de segundo. Os primeiros robôs que começam a ser dotados de capacidades comparáveis de velocidade de reação ainda são fixos e conseguem lidar tão-somente com objetos definidos.

 

Processamento visual

A destreza das moscas é possível graças a um processamento visual bastante superior ao humano. Enquanto um olho humano entende uma sequência de apenas 25 imagens por segundo como se fosse um movimento contínuo, uma mosca percebe até 100 imagens por segundo como imagens discretas, interpretando-as com rapidez suficiente para determinar precisamente sua posição no espaço e desviar-se de qualquer obstáculo, fixo ou em movimento.

Para testar suas hipóteses e serem capazes de simular o processamento de imagens com uma eficiência comparável ao do cérebro desses insetos, os cientistas decidiram criar uma ferramenta de pesquisa pouco usual: um simulador de voo para moscas.

Simulador de voo para moscas

Usando o simulador, os cientistas estão conseguindo acompanhar em tempo real o que acontece no cérebro das moscas enquanto elas estão voando. O objetivo da pesquisa é, uma vez descoberto o segredo de tamanho destreza no voo, colocar essas informações a serviço do homem, equipando robôs que se tornarão capazes de captar de forma independente o que está acontecendo no ambiente ao seu redor.

As câmeras digitais usadas como "olhos" dos robôs são capazes de captar uma quantidade enorme de imagens. Processá-las, contudo, é um desafio à parte.

Para descobrir como o cérebro das moscas faz isso, os cientistas construíram o simulador de voo para que as moscas voem como se estivessem em um ambiente natural, mas permanecendo o tempo todo presas. Desta foram, os cientistas podem acompanhar, por meio de eletrodos, o que está acontecendo em seu cérebro.

A mosca é inserida em uma espécie de ambiente imersivo, onde telas são utilizadas para mostrar imagens em movimento ao redor de uma sala repleta de obstáculos. O estímulo para que a mosca voe é dado por um fluxo de vento.

Campos de fluxo óptico

Segundo o professor Alexander Borst, os primeiros resultados mostram uma coisa claramente: a forma como as moscas processam as imagens captadas por seus olhos imóveis é totalmente diferente da forma como os humanos processamos os sinais visuais.

Os movimentos produzem os chamados "campos de fluxo óptico", que caracterizam tipos específicos de movimento. Quando a mosca se move para a frente, por exemplo, os objetos vão passando ao seu lado, enquanto os objetos à frente começam a parecer maiores. Objetos próximos parecem se mover diferentemente dos objetos distantes.

O primeiro passo que o cérebro da mosca deve dar é construir um modelo desses movimentos. A velocidade e a direção com que esses objetos parecem se mover à frente dos olhos da mosca gera, a cada instante, um padrão típico de vetores de movimento, o campo de fluxo óptico.

Em um segundo passo, o campo de fluxo é avaliado por uma estrutura de alto nível do centro visual do cérebro, a chamada placa lobular. Em cada hemisfério há apenas 60 nervos responsáveis por essa tarefa, cada um reagindo com intensidade específica quando se defronta com o padrão apropriado para ele.

Simulando o cérebro de uma mosca

Para fazer a análise dos campos de fluxo óptico, é importante que as informações sobre o movimento captados pelos dois olhos sejam integradas. Isso é feito por meio de uma conexão direta de neurônios, chamados células VS. Desta forma, a mosca obtém um dado preciso sobre sua posição e movimento.

O entendimento do papel preciso das células VS é destacado pelo professor Borst como um dos principais avanços da pesquisa.

Agora os pesquisadores vão começar a desenvolver pequenos robôs voadores cujo sistema de posicionamento e movimento em voo será controlado por um programa de computador projetado para replicar o que acontece no cérebro das moscas.

O objetivo de longo prazo da pesquisa é a criação de máquinas inteligentes ao menos no aspecto de movimento, que possam transitar entre as pessoas sem riscos para elas e nem para o robô.

Criado o menor laser do mundo

Uma fonte de luz laser é imprescindível para o funcionamento de circuitos nanofotônicos, que têm grande potencial para servir de base a tecnologias e computadores no futuro, onde os fótons substituirão os elétrons.

Mas os lasers atuais não podem ser fabricados com dimensões pequenas o suficiente para serem integrados no interior dos chips eletrônicos.

Pesquisadores norte-americanos acabam de superar esse obstáculo, ao conseguir construir pela primeira vez um novo tipo de laser, teorizado em 2003. Em vez de utilizarem os fótons que formam a luz, eles utilizaram nuvens de elétrons, conhecidas como plasmons de superfície, para criar pequenos dispositivos batizados como spasers.

A descoberta foi feita por cientistas das universidades de Purdue, Estadual de Norfolk e de Cornell, nos Estados Unidos.

Nanofotônica

A nanofotônica pode viabilizar, segundo os pesquisadores, uma série de avanços radicais, incluindo poderosas "hiperlentes" - resultando em sensores microscópios dez vezes mais poderosos do que os atuais e capazes de observar objetos tão pequenos quanto o DNA -, coletores solares mais eficientes ou computadores e produtos eletrônicos que utilizam a luz em vez de sinais eletrônicos para processar a informação.

"Nós demonstramos a viabilidade do componente mais crítico - o nanolaser - essencial para que a nanofotônica se torne uma aplicação tecnológica prática", disse um dos autores, Vladimir Shalaev, professor de Engenharia Elétrica e da Computação da Universidade de Purdue.

Nanolasers

Os nanolasers, construídos com base no novo spaser, criados pelos pesquisadores consistem em esferas de 44 nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro. Mais de um milhão dessas esferas poderiam caber dentro de um único glóbulo vermelho.

A descoberta confirma o trabalho realizado pelos físicos David Bergman, da Universidade de Tel Aviv (Israel), e Mark Stockman, da Universidade Estadual da Geórgia (Estados Unidos), que propuseram o conceito de spaser em 2003.

"Esse trabalho representa um marco importante que pode vir a ser o início de uma revolução na nanofotônica, com aplicações em imageamento e sensores em escalas muito menores que o comprimento de onda da luz visível", disse Timothy Sands, diretor do Centro Birck de Nanotecnologia do Parque Tecnológico de Purdue.

Spasers

Os spasers contêm um núcleo de ouro envolto em uma câmara de material semelhante a vidro cheia com um corante verde. Quando uma luz é direcionada às esferas, plasmons gerados pelo núcleo de ouro são amplificados pelo corante. Os plasmons são então convertidos em fótons de luz visível, que são emitidos como um laser.

Spaser é uma sigla de surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation (amplificação de plasmon de superfície por emissão estimulada de radiação). Para atuar como lasers, os dispositivos exigem um sistema de retroalimentação que faz com que os plasmons de superfície oscilem para frente e para trás, de forma a ganhar força e serem emitidos como luz.

Os lasers convencionais são limitados em relação ao tamanho mínimo com que podem ser fabricados, porque, para os fótons, esse componente de retroalimentação, chamado ressonador óptico, precisa ter pelo menos a metade do tamanho do comprimento de onda da luz laser.

Os pesquisadores, no entanto, superaram esse obstáculo usando os plasmons de superfície no lugar dos fótons, o que lhes permitiu criar um ressonador de 44 nanômetros de diâmetro, ou com menos de um décimo do tamanho dos 530 nanômetros do comprimento da onda emitida pelo spaser.

Avanços futuros

"No momento em que vamos comemorar os 50 anos da invenção do laser, talvez tenhamos conseguido um avanço radical para as tecnologias laser", disse Shalev. O primeiro trabalho sobre laser foi publicado em 1960.

De acordo com os cientistas, trabalhos futuros poderão envolver a criação de um nanolaser com base em spasers que utiliza uma fonte elétrica em vez de uma fonte luminosa - o que iria tornar o dispositivo mais prático para aplicações em computadores e na indústria eletrônica.

Começa em breve, em Londres, o teste do Táxi elétrico

Um carro elétrico sem motorista, que vai transportar passageiros entre o terminal 5 do aeroporto de Heathrow, em Londres, e um dos estacionamentos, foi exibido nesta semana no Museu da Ciência da capital britânica.

O mesmo veículo está sendo avaliado por pesquisadores da USP em São Carlos para uso no Brasil - veja Carro sem motorista começa a ser avaliado para uso em São Paulo.

Carro elétrico sem motorista

O carro é movido a bateria, gasta pouca energia e pode transportar até quatro passageiros e sua bagagem de cada vez, a uma velocidade de até 40 km por hora, em uma rota exclusiva.

Dezoito dos "táxis sem motorista" - batizados de ULTra e que se enquadram em uma categoria chamada Sistema de Trânsito Pessoal Rápido (PRT, na sigla em inglês) - vão entrar em operação no terceiro aeroporto mais movimentado do mundo em volume de passageiros já no ano que vem.

Os passageiros que subirem a bordo em uma das três estações no aeroporto vão selecionar seu destino em uma tela, dentro do veículo.

A ideia é diminuir o tráfego. O tempo da viagem entre o terminal e o estacionamento será de cerca de quatro minutos.

Desenvolvido pela empresa Advanced Transport Systems, de Bristol, o PRT deve diminuir o tempo de espera e as filas nos estacionamentos.

Menos poluente e mais eficiente

O sistema também vai diminuir as emissões de carbono e é 70% mais eficiente do que os automóveis convencionais em termos de uso de energia e 50% mais eficiente do que os ônibus tradicionais.

O novo sistema de transporte, orçado em 25 milhões de libras (cerca de R$ 76 milhões), será testado no terminal 5 do Heathrow antes que seu uso seja estendido para o resto do aeroporto.

O PRT foi criado como uma alternativa ao uso de ônibus tradicionais, ônibus de turismo e carros. A expectativa é de que cerca de 500 mil passageiros usem o serviço todos os anos.

Microrrobôs com asas de inseto

Imitar a natureza tem sido uma tática de muito sucesso entre os cientistas, principalmente entre os construtores de robôs. Afinal, reproduzir técnicas de movimento e voo que a natureza levou milhões de anos para aprimorar parece ser uma opção inteligente.

Mas sempre restou uma dúvida entre os cientistas quando o assunto é a construção de microrrobôs voadores. Há insetos que voam batendo as asas e há insetos que voam girando as asas. Qual seria a melhor abordagem?

Eficiência no voo

É praticamente um consenso entre os cientistas que os microrrobôs com asas, imitando as libélulas, seriam mais eficientes em termos de gasto de energia do que microrrobôs dotados de hélices, como helicópteros, ou mesmo do que aqueles que voam como aviões. E energia é algo valioso quando se trata de fazer voar um robô que pesa poucos gramas e não pode se dar ao luxo de carregar grandes baterias.

David Lentink, da Universidade de Wageningen, na Holanda, resolveu tirar a prova, testando esse consenso, a fim de obter uma resposta definitiva sobre qual design da natureza é melhor copiar. Ou mesmo se o projeto dos helicópteros seria o melhor.

Para isso, ele fez o que nenhum roboticista havia feito até agora: ele comparou rigorosamente o gasto de energia das asas de um microrrobô entre os dois tipos de movimento, batendo e girando.

Asas que batem e asas que giram

O pesquisador construiu as asas, inspiradas nas asas de uma mosca, mas em tamanho ampliado. A seguir, mergulhou-as em um tanque com óleo e comparou o gasto de energia quando as asas são postas para bater e quando elas são postas para girar, como os helicópteros fazem com suas asas giratórias.

O resultado não deixa margem a dúvidas: um microrrobô pode economizar até 50% de energia se ele fizer as asas girarem, como um helicóptero, em vez de batê-las para tentar imitar um inseto ou um pássaro, mantendo o mesmo nível de sustentação.

Voo híbrido

A descoberta influenciará todo o futuro desenvolvimento de microrrobôs voadores, que poderão passar a ter um desenho híbrido e usufruir da eficiência dos dois elementos: o desenho da asa dos insetos, que é mais leve e mais eficiente nessa escala, e o giro usado nos helicópteros.

A movimentação circular das asas também é mais econômica em termos de equipamentos, uma vez que elas podem ser conectadas diretamente ao eixo do motor, sem necessidade de nenhuma engrenagem ou sistema complicado de controle.

O consenso também caiu por terra. "Os engenheiros acreditavam até agora que máquinas voadoras do tamanho de moscas deveriam voar como uma mosca para serem energeticamente eficientes, mas nós demonstramos que isso não é verdade," diz Lentink.

 

Vórtices de sustentação

A explicação para o resultado é que as asas girantes dos insetos podem gerar muito mais sustentação do que era previsto pela teoria da aerodinâmica - até duas vezes mais. A sustentação extra é gerada por um vórtice em forma de tornado que gira paralelamente à borda dianteira da asa. Esse vórtice diminui a pressão sobre a asa e puxa-a para cima, sustentando o peso do inseto no ar.

Observando cuidadosamente o movimento no tanque de óleo, Lentink e seu colega Michael Dickinson observaram que o movimento giratório da asa gera a sustentação de forma mais eficiente.

Compreender melhor para copiar bem

Contudo, a pesquisa não responde a todas as perguntas, sobretudo, como construir um robô que consiga voar por horas como uma mosca, enquanto os mais eficientes microrrobôs e suas microbaterias não conseguem ficar no ar por mais do que uns poucos minutos. "Com uma forma tão eficaz de armazenamento de energia e motores musculares, as moscas são muito menos dependentes da eficiência energética do que os nossos melhores robôs voadores," diz Dickinson.

"Nós poderemos continuar a aprender com a natureza como melhorar os projetos de nossos robôs voadores, mas não sem um melhor entendimento de por que as moscas voam tão bem," conclui ele.

Computadores moleculares tornam-se mais amigáveis

Computadores biomoleculares, feitos de DNA ou de outras moléculas biológicas, hoje existem somente em alguns poucos laboratórios especializados, muito distantes do usuário comum de computador.

No entanto, Tom Ran e Shai Kaplan, pesquisadores do Instituto de Bioquímica Weizmann, descobriram uma maneira de tornar esses dispositivos de computação microscópicos mais amigáveis ao usuário, mesmo quando ele estão executando cálculos complexos e respondendo questões complicadas.

Os pesquisadores criaram um programa avançado para computadores biomoleculares que permite que essas máquinas "pensem" logicamente e respondam a questões passadas em linguagem quase natural.

Ensinando lógica ao computador

A técnica para ensinar dedução lógica para esses dispositivos futurísticos é notavelmente familiar. A técnica foi proposta por Aristóteles há mais de 2000 anos na forma de uma simples proposição do tipo se-então: "Todos os homens são mortais. Sócrates é um homem. Portanto, Sócrates é mortal".

Quando alimentado com uma regra (Todos os homens são mortais) e um fato (Sócrates é um homem), o computador biomolecular é capaz de responder corretamente à pergunta "Sócrates é mortal?".

A equipe começou então a criar questões mais complicadas, envolvendo múltiplas regras e fatos - o dispositivo de computação à base de DNA foi capaz de deduzir as respostas corretas todas as vezes.

Compilador para computador molecular

Para facilitar o trabalho, os dois pesquisadores criaram um compilador - um programa capaz de fazer uma ponte entre a linguagem de programação de computador de alto nível e o código de computação em DNA.

Com o compilador, a consulta pode ser digitada de forma tão simples quanto: Mortal (Sócrates)?. O compilador traduz esse código em linguagem de biocomputação e o computador de DNA responde, sempre corretamente.

Funcionamento do computador de DNA

Para chegar à resposta correta, várias fitas de DNA, representando as regras, os fatos e as consultas, foram montadas por um sistema robótico para se encaixar em um processo hierárquico.

A resposta foi codificada em um flash de luz verde: algumas das fitas de DNA tinham uma versão biológica de uma lanterna de sinalização - elas foram equipadas com uma molécula naturalmente fluorescente, ligada a uma segunda proteína que mantém a luz coberta.

Uma enzima especializada, atraída para o local correspondente à resposta correta, remove a "capa" da lanterna sinalizadora e deixa a luz brilhar.

As minúsculas gotas de água contendo as bases de dados biomoleculares foram capazes de responder a perguntas muito complicadas, brilhando em uma combinação de cores que representavam as respostas mais complexas.

Futuro

Além de serem capazes de efetuar múltiplos cálculos simultaneamente, os computadores moleculares têm sido estudados para atuar diretamente no organismo, onde poderão executar operações dependendo da situação encontrada, como liberar moléculas específicas quando localizarem uma célula tumoral.