Chip neural: rumo ao computador neuromórfico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/10/2011

Os circuitos neuromórficos têm o potencial para rodar programas de auxílio à tomada de decisões que não são possíveis nos computadores atuais.[Imagem: AFRL]

Computador neuromórfico

O professor Robinson Pino e seus colegas da Universidade de Boise, nos Estados Unidos, deram um passo importante na construção do seu apregoado computador neuromórfico.

O circuito foi construído commemristores, componentes eletrônicos capazes de se "lembrar" das correntes elétricas que passaram por eles, o que faz com que sejam chamados de sinapses artificiais.

Os cientistas acreditam que essas sinapses artificiais poderão ser usadas para construir computadores cujo funcionamento se assemelhe ao funcionamento do cérebro humano.

Sinapses artificiais

O grupo do professor Pino construiu um processador neuromórfico que é basicamente uma rede neural formada por 100 memristores, ou 100 sinapses artificiais.

Os memristores foram construídos pela própria equipe, à base de calcogeneto, contendo Ge₂Se₃, e prata, uma inovação nessa área ainda nascente.

Os resultados demonstram que a rede neural de memristores pode ser programada para cada estado memristivo individual - eles programaram três estados diferentes de cada sinapse artificial.

Embora ainda esteja em seus estágios iniciais de desenvolvimento, essa capacidade de programação em multi-estados é altamente promissora, apontando para uma abordagem potencialmenet muito mais eficiente do que, por exemplo, os primeirosprocessadores cognitivos da IBM, apresentados há pouco mais de um mês.

 

Nanocompósitos podem viabilizar avião-Transformer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/09/2011

Renderização artística do Avião Morfológico, também conhecido como Veículo Aeroespacial do Século XXI, mostrando os avançados conceitos que a NASA vislumbra para uma aeronave do futuro.[Imagem: AFRL]

Os nanocompósitos são materiais desse tipo, mas cuja estrutura é projetada e sintetizada em nanoescala.

Cientistas ligados à NASA estão agora estudando uma nova série de nanocompósitos capazes de "reagir a estímulos".

Materiais reativos

De forma semelhante a um ser vivo, por exemplo, afastando-se rapidamente de uma fonte de calor, esses nanocompósitos reativos alteram suas propriedades mecânicas quando expostos a campos elétricos, campos magnéticos ou a algum tipo de radiação eletromagnética.

A alteração das propriedades desses "materiais mutantes" deriva de interações sinergísticas entre a matriz de polímero e seu material de preenchimento.

Os pesquisadores agora conseguiram desenvolver um novo material com uma capacidade de reação significativa a um campo elétrico, o que significa que ele pode ser usado como atuador - para exercer uma força, por exemplo - ou sofrer uma deformação.

É um passo gigantesco à frente dos músculos artificiais.

Aviões que mudam de forma

Um dos objetivos primários da pesquisa é o desenvolvimento de aviões que possam se adaptar às condições de voo alterando seu próprio formato - eles são chamados de aviões morfológicos (morphing planes).

Por exemplo, um avião precisa de grande sustentação nas baixas velocidades de decolagem e pouso, mas isso compromete sua aerodinâmica para o voo em alta velocidade.

Hoje, esse equilíbrio é obtido cedendo-se dos dois lados, o que significa que os aviões não são ótimos em nenhuma das duas situações.

Alguns sistemas de asas móveis tentam contornar esse compromisso, mas com um custo e uma complexidade elevados demais para serem usados em aplicações úteis - na aviação civil, por exemplo.

Mas esses materiais adaptativos são promissores para inúmeras outras aplicações, de stents e implantes médicos a automóveis e telescópios.

Do nano ao macro

Os maiores entraves ao uso desses materiais inovadores estão nas restrições de temperatura e no fato de que os protótipos até agora desenvolvidos suportam poucos ciclos de funcionamento - o que significa que eles perdem sua capacidade de se "transformar" com o uso.

Os pesquisadores descobriram que a saída pode estar no uso de nanotubos de carbono no meio dos chamados nanocompósitos poliméricos eletrorrestritivos (PNC:Electrostrictive Polymer Nanocomposites).

De forma surpreendente, os pesquisadores descobriram que as nanopartículas são essenciais para a construção dos materiais eletroativos, mas a capacidade final do material para mudar de forma depende das suas características finais em macroescala.

Os resultados mostraram que a atuação eletrotermal do nanocompósito não depende da composição do material que preenche a matriz de polímero, mas apenas da condutividade final do material pronto - daí a importância dos nanotubos de carbono, com sua excepcional condutividade.

O trabalho estabelece um novo patamar para as pesquisas, permitindo que os cientistas selecionem os melhores materiais de preenchimento, calculem sua quantidade ótima e descubram novas técnicas de processamento - tudo para otimizar o comportamento morfológico final do material.

Compósitos são materiais híbridos, resultantes da mistura de polímeros com materiais naturais, metais, fibras ou cerâmicas.

Infobiologia codifica mensagem secreta usando bactérias

Com informações da Science e Nature - 27/09/2011

As mensagens secretas são escritas colocando as bactérias em linhas em uma estrutura de nitrocelulose e ágar, um meio de cultura para que as bactérias não morram.[Imagem: Manuel A. Palacios/Tufts University]

Infobiologia

Cientistas descobriram uma nova forma de codificar mensagens secretas usando bactérias.

Além de ser útil para os espiões, a nova técnica poderá ser usada por empresas para codificar identificadores em sementes, grãos e outros produtos de origem animal ou vegetal.

Tudo começou com o interesse em desenvolver formas de codificar mensagens secretas sem usar equipamentos eletrônicos.

Em 2010, David Walt e George Whitesides criaram um sistema primário desse tipo, que eles batizaram de infofusíveis, e que permitia também a transmissão do código cifrado:

• Infofusíveis: dados são transmitidos quimicamente

Naquela época eles usaram sais. Mas seu colega Manuel Palacios teve a ideia de usar bactérias.

Código binário de bactérias

Os fusíveis foram substituídos por colônias de Escherichia coli, cada uma das quais recebeu um gene para codificar uma proteína fluorescente diferente - elas só emitem as cores quando o gene é ativado.

Os pesquisadores então criaram um código binário baseado em cores, cada "bit" sendo formado por um par de bactérias de cores diferentes.

As 7 colônias de bactérias fluorescentes permitem um total de 49 combinações, o suficiente para representar 26 letras e 23 outros caracteres alfanuméricos. [Imagem: Palacios et al./Pnas]

As 7 colônias lhes deram então um total de 49 combinações, o suficiente para representar 26 letras e 23 outros caracteres alfanuméricos.

As mensagens são escritas colocando as bactérias em linhas em uma estrutura de nitrocelulose e ágar, um meio de cultura para que as bactérias não morram.

Nesse momento, como os genes ainda não estão ativados, as bactérias são invisíveis.

Quando o destinatário recebe sua "mensagem bacteriana", tudo o que ele tem a fazer é pressionar o papel de nitrocelulose em uma placa de ágar contendo o composto químico que ativa a expressão das proteínas fluorescentes.

As bactérias começam a brilhar e a mensagem pode ser lida.

O velho truque do antibiótico

E os pesquisadores ainda acrescentaram uma camada extra de segurança para a mensagem secreta.

Em algumas bactérias, eles inseriram genes que as tornam resistentes a determinados antibióticos. Estas bactérias resistentes são as responsáveis por levar a mensagem.

Contudo, as bactérias resistentes são misturadas no papel de nitrocelulose com outras bactérias igualmente capazes de apresentar a fluorescência, mas suscetíveis ao antibiótico.

Se a mensagem cair em mãos erradas, o espião até poderá ativar os genes da fluorescência, mas não conseguirá compreender a mensagem.

Já o destinatário correto, já de posse do antibiótico adequado, matará as bactérias camufladoras e poderá ler a mensagem.

Os cientistas batizaram sua técnica de SPAM (steganography by printed arrays of microbes: esteganografia por matrizes impressas de micróbios).

Bibliografia:

InfoBiology by printed arrays of microorganism colonies for timed and on-demand release of messages
Manuel A. Palacios, Elena Benito-Peña, Mael Manesse, Aaron D. Mazzeo, Christopher N. LaFratta, George M. Whitesides, David R. Walta
Proceedings of the National Academy of Sciences
September 26, 2011
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1073/pnas.1109554108

 

"A Coisa" cria novo paradigma no estudo de células vivas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/09/2011

O quadrupolo fluídico é formado injetando-se fluidos por dois furos-fonte (+) e aspirando-os de volta por dois furos-ralo (-). Aqui, gotas fluorescentes foram usadas para traçar a rota do fluxo, da mesma forma que limalha de ferro é usada para mostrar a linhas de um campo magnético.[Imagem: McGill University]

A "coisa"

Cientistas criaram um dispositivo microscópico e flutuante que funciona tanto como um soprador quanto como um aspirador de líquidos.

A "coisa" é tão estranha que nem mesmo há um nome ou uma categoria para descrevê-la.

Mas sua funcionalidade é impressionante: ela pode ser usada para lidar diretamente com células vivas, sem nem mesmo tocar nas células.

Isso torna esse soprador/aspirador microscópico uma ferramenta sem precedentes, uma vez que o estudo de células vivas sempre esbarra no inconveniente de as ferramentas disponíveis interferirem com seu funcionamento normal.

Quadrupolo

Tecnicamente, o dispositivo é um quadrupolo - o resultado da montagem de dois objetos idênticos, dois "positivos" e dois "negativos", dispostos em um quadrado, a fim de criar um campo de força entre eles.

Quadrupolos eletrostáticos são usados em antenas de rádio, enquanto quadrupolos magnéticos servem para focalizar feixes de partículas eletricamente carregadas no interior de aceleradores de partículas.

Mas esta é a primeira vez que alguém consegue demonstrar na prática um quadrupolo em um fluido, ainda que os teóricos venham dizendo que isso é possível há décadas.

Os pesquisadores afirmaram que seu multipolo fluídico deverá se transformar em uma nova ferramenta para todos os tipos de estudosin vitro. [Imagem: Qasaimeh et al.]

Estudo de células vivas

O dispositivo é fabricando fazendo dois furos em uma ponta de silício com cerca de 1 milímetro quadrado.

Quando ele é colocado sobre uma superfície, as duas aberturas "positivas", chamadas fontes, emitem jatos microscópicos de fluido em direção à superfície abaixo.

Ao mesmo tempo, as duas aberturas "negativas", chamadas drenos, começam imediatamente a sugar o jato de fluido de volta para o dispositivo.

Se essa superfície for uma camada de células vivas, ou uma camada de células aderentes, o dispositivo pode flutuar sobre a superfície para chegar a um alvo desejado.

Ele então simplesmente começa a disparar um jato de fluido com os compostos químicos necessários para testar, estimular ou matar as células, dependendo da aplicação.

Gradientes

O quadrupolo fluídico também pode ser usado para criar regiões com concentrações de químicos que variam suavemente - os chamados gradientes.

Esses gradientes são essenciais para o estudo de muitos processos celulares, como o movimento de bactérias e outras células no interior do organismo.

Os pesquisadores afirmaram que sua "coisa" deverá se transformar em uma nova ferramenta para todos os tipos de estudos in vitro.

Bibliografia:

Microfluidic quadrupole and floating concentration gradient
Mohammad A. Qasaimeh, Thomas Gervais, David Juncker
Nature Communications
Vol.: 2, Article number: 464
DOI: 10.1038/ncomms1471

Fios elétricos de nanotubos de carbono viram realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/09/2011

O próximo passo dos pesquisadores será aprimorar o processo de "tecelagem" dos nanotubos para criar cabos mais longos e mais grossos. [Imagem: Zhao et al./Nature]

Misto de fio e cabo

Os nanotubos de carbono já foram apresentados como o material que poderia viabilizar os elevadores espaciais e a transmissão ultra-eficiente de eletricidade, sem depender do aparato criogênico dossupercondutores.

Pelo menos esta última promessa agora está mais próxima da realidade.

Yao Zhao e seus colegas da Universidade de Rice, nos Estados Unidos, construíram o primeiro cabo de transmissão de energia feito inteiramente de nanotubos de carbono.

Embora individualmente sua eficiência na condução térmica e elétrica já tenha sido mais do que comprovada, transformar nanotubos em "macrotubos", para viabilizar sua utilização prática, não tem sido uma tarefa fácil.

• Nanotubos de carbono são produzidos em grandes dimensões

Os cientistas "teceram" os nanotubos em uma espécie de longa malha, criando um cabo condutor com tamanho suficiente para ser ligado a um circuito elétrico - tecnicamente o condutor é um misto entre um fio e um cabo.

Condutividade específica

Embora longe das possibilidades teóricas de um cabo feito com nanotubos de carbono perfeitos, o protótipo criado pelos cientistas apresenta a mesma eficiência de um cabo de cobre da mesma espessura - mas pesa 6 vezes menos.

A condutividade específica - a proporção condutividade/peso - do cabo supera metais como o cobre e a prata, perdendo apenas para o elemento com condutividade específica mais elevada que existe, o sódio.

Mesmo havendo muito espaço para melhorias, isto torna o cabo de nanotubos adequado para várias aplicações onde o peso é um elemento importante, como no interior de carros, aviões e satélites artificiais.

O protótipo possui apenas alguns centímetros de comprimento e foi usado para alimentar uma lâmpada.

O próximo passo dos pesquisadores será aprimorar o processo de "tecelagem" dos nanotubos para criar cabos mais longos e mais grossos.

Bibliografia:

Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specific electrical conductivity of metals
Yao Zhao, Jinquan Wei, Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan, Enrique V. Barrera
Nature Physics
06 September 2011
Vol.: 1, Article number: 83
DOI: 10.1038/srep00083

Nanotubos funcionam como reatores químicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/09/2011

O nanotubo de carbono funciona não apenas como o reator, como também fornece um dos ingredientes para a reação. [Imagem: Caltech/Tod Pascal]

Nanorreatores

Nanotubos de carbono são pequenos canos, com diâmetros entre 1 e 2 nanômetros.

Os cientistas já sabem que as propriedades físicas e químicas das moléculas se alteram quando elas são inseridas dentro desses tubos - elas se comportam de forma diferente de uma molécula "livre".

Cientistas da Universidade de Nottingham, no Reino Unido, resolveram tirar proveito dessa alteração de propriedade para transformar os nanotubos de carbono em reatores químicos em nanoescala.

Essa nova técnica para induzir reações químicas e sintetizar novas moléculas tem potencial para ser útil em um grande número de áreas, do desenvolvimento de novos medicamentos e produção de combustíveis renováveis, até a criação de novos mecanismos para armazenamento de dados.

Fitas de grafeno

No experimento, o nanotubo de carbono funcionou não apenas como o reator, mas também forneceu um dos ingredientes para a reação.

Átomos de enxofre se juntaram aos átomos de carbono para formar nanofitas de grafeno - basicamente um nanotubo desenrolado, com as bordas devidamente "alinhavadas" por átomos de enxofre.

"As nanofitas de grafeno têm uma série interessantíssima de propriedades físicas, o que as torna mais adequadas para aplicações na eletrônica e na spintrônica do que o grafeno puro," diz o Dr. Andrei Khlobystov, coordenador da pesquisa.

A aplicação mais imediata das nanofitas seria como chaves, atuadores etransistores, tudo em uma escala nanométrica, menores do que as dimensões obtidas com as técnicas de litografia atuais.

Bibliografia:

Self-assembly of a sulphur-terminated graphene nanoribbon within a single-walled carbon nanotube
A. Chuvilin, E. Bichoutskaia, M. C. Gimenez-Lopez, T. W. Chamberlain, G. A. Rance, N. Kuganathan, J. Biskupek, U. Kaiser, A. N. Khlobystov
Nature Materials
Vol.: 10, Pages: 687-692
DOI: 10.1038/nmat3082

Geradores de oxigênio implantáveis otimizam tratamento anticâncer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/09/2011

Diagrama do gerador de oxigênio implantável, que reforça os efeitos da radioterapia e da quimioterapia.[Imagem: Birck Nanotechnology Center/Purdue University]

Radioterapia e quimioterapia

Há poucos dias, pesquisadores apresentaram o primeiro computador biológico capaz de ativar a apoptose - a chamada morte programada de uma célula - em células de câncer.

Agora, um outro grupo anunciou a criação de minúsculos geradores de oxigênio que poderão ser implantados diretamente nos tumores.

Ao gerar oxigênio localizadamente, eles podem otimizar o efeito da radioterapia e da quimioterapia.

Os tumores sólidos costumam ser "hipóxicos" no centro, ou seja, apresentarem um baixo nível de oxigênio. "Isto não é bom porque a radioterapia precisa de oxigênio para ser eficaz," explica o Dr. Babak Ziaie, da Universidade Purdue, nos Estados Unidos.

O Dr. Ziaie já havia criado uma etiqueta inteligente capaz de monitorar um tumor e transmitir informações para o computador do médico.

Gerador de oxigênio

O novo gerador de oxigênio implantável é um pequeno aparelho eletrônico que recebe sinais de ultrassom e usa a energia dessas ondas para gerar uma pequena corrente elétrica.

A eletricidade separa o oxigênio e o hidrogênio da água presente naturalmente no organismo - uma reação química chamada eletrólise - liberando os dois gases.

Os pequenos dispositivos foram testados em tumores pancreáticos em camundongos. Tanto os animais que receberam o implante quanto o grupo de controle receberam as aplicações de ultrassom.

Tratados com a quimioterapia tradicional, os que receberam o implante responderam ao tratamento de forma significativamente melhor, graças ao oxigênio gerado no ponto onde o elemento é mais necessário.

Agora que o conceito se mostrou eficaz, os cientistas querem miniaturizá-lo ainda mais e fabricá-lo em um desenho que facilite seu implante.

Bibliografia:

An Ultrasonically-Powered Implantable Micro Oxygen Generator (IMOG)
Teimour Maleki, Ning Cao, Seung Hyun Song, Song-Chu Ko, Babak Ziaie
Transactions on Biomedical Engineering
Vol.: PP, Issue: 99
DOI: 10.1109/TBME.2011.2163634