Inteligência artificial do bem demonstra "cooperação de máquina" Redação do Site Inovação Tecnológica

Inteligência artificial do bem demonstra "cooperação de máquina"

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/02/2018

Recentemente analistas se mostraram preocupados quando a inteligência artificial se mostrou capaz de fazer poesia.[Imagem: CC0 Creative Commons/Pixabay]

Software cooperativo

Os programas de computador - nomeadamente aqueles incluídos no campo da inteligência artificial- podem bater os seres humanos nos jogos mais complicados, como xadrez e Go.

Mas será possível ensinar esses programas a cooperar, negociar e transigir para se chegar a uma posição comum - em vez de competir?

Parece que sim, e parece também que a "cooperação de máquina" não apenas é possível, como algumas vezes pode ser mais eficaz do que a busca de um acordo entre os seres humanos.

"O objetivo final é entendermos a matemática por trás da cooperação com as pessoas e quais atributos a inteligência artificial precisa para desenvolver habilidades sociais. A inteligência artificial precisa ser capaz de responder a nós [humanos] e articular o que está fazendo. Ela tem que ser capaz de interagir com outras pessoas," defendeu Jacob Crandall, da Universidade Brigham Young, nos EUA.

Cooperação de máquina

Para demonstrar a capacidade das máquinas para chegarem a um acordo de benefícios mútuos, Crandall desenvolveu um algoritmo, chamado S#, e executou-o em uma série de jogos de dois jogadores para ver como esses dois jogadores cooperariam em certos relacionamentos - a equipe testou interações máquinas-máquina, humano-máquina e humano-humano.

Na maioria dos casos, os agentes de software programados com S# superaram os humanos na capacidade de chegar a acordos que beneficiassem ambas as partes.

"Dois humanos, se fossem honestos e leais um com o outro, teriam alcançado o mesmo desempenho das duas máquinas," disse Crandall. "Ocorre que cerca de metade dos humanos mente em algum ponto. Então, essencialmente, este algoritmo em particular está aprendendo quais características morais são boas. Ele está programado para não mentir, e também aprende a manter a cooperação tão logo ela emerge".

Inteligência artificial do bem

Os pesquisadores acreditam que essa demonstração inicial deverá ter implicações a longo prazo não apenas para as relações homem-máquina, tipicamente marcadas pela preocupação com os perigos que a inteligência artificial trará à humanidade, mas também para as relações humanas.

"Na sociedade, relacionamentos são desfeitos o tempo todo. Pessoas que eram amigas durante anos, de repente se tornam inimigas. Como as máquinas geralmente são melhores para alcançar esses acordos do que nós, elas podem nos ensinar a melhorar isso," disse Crandall.

Os resultados também são importantes para aqueles preocupados com o modo como os humanos podem manter o controle final sobre a inteligência artificial, demonstrando que, no final das contas, se queremos robôs responsáveis, podemos começar com humanos responsáveis.

Bibliografia:

Cooperating with machines
Jacob W. Crandall, Mayada Oudah, Tennom, Fatimah Ishowo-Oloko, Sherief Abdallah, Jean-François Bonnefon, Manuel Cebrian, Azim Shariff, Michael A. Goodrich, Iyad Rahwan
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 233
DOI: 10.1038/s41467-017-02597-8

Meta-átomos funcionam como qubits gêmeos Redação do Site Inovação Tecnológica

Meta-átomos funcionam como qubits gêmeos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/02/2018

Demonstração do metamaterial quântico com seus qubits gêmeos. [Imagem: NUST MISIS]

Meta-átomos e meta-materiais

Uma equipe da Rússia e da Alemanha conseguiu um avanço radical na criação de materiais aparentemente impossíveis - eles criaram o primeiro metamaterial quântico que pode ser usado como um elemento de controle em circuitos elétricos supercondutores.

Se parece um tanto complicado, isso significa "peça de computador quântico". E, além de ser uma peça essencial, o material em escala macro comporta-se não segundo a física clássica, mas segundo as leis da mecânica quântica.

Os anos recentes têm testemunhado o avanço dos materiais artificiais, substâncias cujas propriedades são determinadas não tanto pelos átomos que os compõem, mas pelo arranjo estrutural desses átomos. Cada elemento da estrutura mede de nanômetros a micrômetros e tem seu próprio conjunto de propriedades. Curiosamente, essas propriedades tão interessantes simplesmente desaparecem quando o material é decomposto em seus componentes.

É por isso que esses elementos são chamados de meta-átomos. Qualquer substância formada por meta-átomos é chamada de metamaterial - não confundir com os átomos comuns da Tabela Periódica, já que os meta-átomos são fabricados com um ou com vários desses elementos, como ouro, prata, silício etc.

Material quântico

Até recentemente, outra diferença entre os átomos e os meta-átomos era que as propriedades dos átomos convencionais eram descritas por equações da mecânica quântica, enquanto que os meta-átomos eram descritos pelas equações da física clássica - eles são bem grandes em comparação com os átomos dos elementos da Tabela Periódica.

No entanto, quando a turma da computação quântica começou a criar qubits, isso gerou uma oportunidade para se criar metamateriais formados por meta-átomos cujo estado poderia ser descrito quântico-mecanicamente. Mas, até agora, os resultados vinham sendo qubits "incomuns", sem grande interesse prático.

Agora, acaba de ser criado o primeiro "qubit gêmeo" do mundo, tendo como base um metamaterial - um metamaterial quântico, ou seja, que tem o comportamento de seus elementos básicos explicados pela mecânica quântica.

Qubit gêmeo

Um qubit convencional do tipo supercondutor, como o que compõe o processador quântico que a Intel apresentou há algumas semanas, consiste em um esquema que inclui três junções Josephson. O qubit gêmeo, no entanto, é composto por cinco junções Josephson que são simétricas ao eixo central.

"Qubits duplos servirão como um sistema mais complexo do que os qubits supercondutores convencionais. A lógica aqui é bastante simples: um sistema mais complexo (artificialmente complexo), com um grande número de graus de liberdade, tem um maior número de fatores que podem influenciar suas propriedades. Alterando algumas propriedades externas do ambiente onde o nosso metamaterial está localizado, podemos ativar e desativar essas propriedades passando o qubit gêmeo de um estado com determinadas propriedades para outro estado com outras propriedades," explicou o professor Alexey Ustinov, de Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia da Rússia.

Microfotografia mostrando a estrutura dos qubits gêmeos. [Imagem: NUST MISIS]

Essa possibilidade ficou bem demonstrada durante o experimento, conforme todo o metamaterial formado por qubits gêmeos como seus elementos fundamentais alternava entre dois modos diferentes.

"Em um desses modos, a cadeia de qubits transmite radiação eletrônica na faixa de micro-ondas muito bem, enquanto permanece um elemento quântico. Em outro modo, ele gira a fase supercondutora em 180 graus e bloqueia a transmissão de ondas eletromagnéticas através de si. E ele ainda permanece um sistema quântico.

"Assim, com a ajuda de um campo magnético, esse material pode ser usado como elemento de controle em sistemas de sinais quânticos (fótons separados) em circuitos, com os quais os computadores quânticos em desenvolvimento são feitos," disse Ilya Besedin, coautor do trabalho.

Outra possibilidade ainda mais imediata é usar os metamateriais e seus qubits gêmeos em simuladores quânticos, usados para modelar o comportamento de átomos e moléculas, que têm elementos de aleatoriedade e complexidade grandes demais mesmo para os simuladores por software rodando em supercomputadores.

Bibliografia:

Magnetically induced transparency of a quantum metamaterial composed of twin flux qubits
K. V. Shulga, E. Il ichev, M. V. Fistul, I. S. Besedin, S. Butz, O. V. Astafiev, U. Hübner, A. V. Ustinov
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 150
DOI: 10.1038/s41467-017-02608-8

Velocidade da luz cai a zero em "pontos excepcionais" Redação do Site Inovação Tecnológica

Velocidade da luz cai a zero em "pontos excepcionais"

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/02/2018

A chamada "luz congelada" - a luz totalmente parada - já está sendo usada em experimentos de computação óptica, que prometem de processadores de luz a vídeos holográficos 3D.[Imagem: U. Buffalo]

Parar a luz

Há algum tempo os físicos vêm conseguindo instalar aceleradores e freios na luz - já se demonstrou ser possível, por exemplo, diminuir velocidade da luz ou, no extremo oposto, fazer a luz viajar com velocidade infinita.

Agora, um trio do qual faz parte o professor Alexei Mailybaev, do Instituto Nacional de Matemática Pura e Aplicada (IMPA), no Rio de Janeiro, demonstrou como a luz pode ser brecada e até mesmo parada completamente usando uma técnica que envolve a captura da luz dentro de cristais ou de nuvens ultrafrias de átomos.

Ainda que alguns físicos venham defendendo que a velocidade da luz pode ser menor do que se calculava, é bom lembrar que os cálculos atuais estabelecem que a luz viaja a uma velocidade 299.792.458 metros por segundo.

Mailybaev e seus colegas demonstraram que o ponteiro desse velocímetro pode ser trazido a zero no que eles chamam de "pontos excepcionais", que são pontos onde dois modos de luz se juntam e coalescem. E esses pontos podem ser criados dentro de guias de ondas com a simetria adequada.

Pontos excepcionais

Ao contrário da maioria dos outros métodos que são usados para parar a luz, o trio garante que sua nova técnica poderá ser ajustada para funcionar com uma ampla gama de cores e larguras de banda, o que pode ser uma vantagem importante para futuras aplicações práticas.

Os pontos excepcionais para a parada da luz poderão ser criados nas guias de ondas variando os parâmetros de perda e ganho, de modo que dois modos de luz coalesçam - combinem-se em um novo modo único. Para evitar a perda da luz, algo comum nesse tipo de experimento, Mailybaev e seus colegas propõem guias de onda com simetria de tempo-paridade, uma vez que essa simetria garante que o ganho e a perda sejam sempre equilibrados. Como resultado, a intensidade da luz permanece constante quando a luz se aproxima do ponto excepcional, eliminando perdas.

Para liberar a luz parada e acelerá-la de volta à sua velocidade normal, basta que os parâmetros de ganho/perda sejam revertidos.

A característica mais importante do novo método, no entanto, é que os pontos excepcionais podem ser ajustados para funcionar com qualquer frequência de luz, novamente simplesmente ajustando os parâmetros de ganho e perda.

Agora que todos os cálculos estão feitos, resta que os físicos experimentalistas construam as guias de ondas e testem o novo método na prática.

A equipe afirma que este método também poderá funcionar com outros tipos de ondas, como as ondas sonoras - eles planejam investigar essa possibilidade a seguir.

Bibliografia:

Light Stops at Exceptional Points
Tamar Goldzak, Alexei A. Mailybaev, Nimrod Moiseyev
Physical Review Letters
Vol.: 120, 013901
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.013901

O que você tem quando cruza um avião com um submarino? Redação do Site Inovação Tecnológica -

O que você tem quando cruza um avião com um submarino?

Redação do Site Inovação Tecnológica -  26/02/2018

Imagem temporizada do pequeno drone saindo do modo submarino rumo a um voo em modo avião.[Imagem: Matthew Bryant]

Híbrido de avião e submarino

Engenheiros da Universidade do Estado da Carolina do Norte, nos EUA, demonstraram que é mesmo possível construir um híbrido de avião e submarino.

O protótipo navega sobre a superfície da água como um barco, mergulha como um submarino e depois decola verticalmente da água, passando a voar como um avião de pleno direito.

Como "voa" na água e no ar, o pequeno drone foi batizado de EagleRay, uma junção dos termos em inglês para águia e raia - mas ele não bate as asas como nenhum dos dois.

"Manter a vigilância aérea pode usar muita energia. O EagleRaypode economizar energia passando algum tempo na água. Por exemplo, ele pode rastrear um grupo veloz de golfinhos a partir do ar, depois passar um tempo na água se os golfinhos pararem para aproveitar um bom local de alimentação. O EagleRay pode então retomar o voo quando os golfinhos começarem a se mover novamente," disse Warren Weisler, um dos projetistas do aparelho.

O drone de demonstração tem um comprimento de 1,40 metro e uma envergadura de asas de 1,50 metro. Um motor elétrico aciona sua única hélice frontal, cuja velocidade é controlada conforme ele se movimenta na superfície da água, embaixo d'água ou no ar.

"No momento estamos desenvolvendo um controlador personalizado para o EagleRay," contou Weisler. "Os controladores existentes não foram projetados para um veículo que transite do ar para o mar e de volta - eles são projetados para ser um ou outro, sem uma etapa de transição."

Bibliografia:

Testing and Characterization of a Fixed Wing Cross-Domain Unmanned Vehicle Operating in Aerial and Underwater Environments
Warren Weisler, William Stewart, Mark B. Anderson, Kara J. Peters, Ashok Gopalarathnam, Matthew Bryant
IEEE Journal of Oceanic Engineering
Vol.: PP, Issue: 99 - Page(s): 1 - 14
DOI: 10.1109/JOE.2017.2742798

Gerador transforma oscilações de temperatura em eletricidade Redação do Site Inovação Tecnológica

Gerador transforma oscilações de temperatura em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/02/2018

Protótipo do sistema (dentro da caixa preta), instalado no telhado do laboratório. [Imagem: Justin Raymond]

Ressonador térmico

Os bem conhecidos geradores termoelétricos geram eletricidade quando um lado do dispositivo tem uma temperatura diferente da outra.

Agora, uma equipe do MIT, nos EUA, idealizou um novo gerador que converte flutuações de temperatura em energia elétrica - em vez de exigir duas entradas diferentes de temperatura ao mesmo tempo, o novo sistema tira proveito das oscilações na temperatura ambiente que ocorrem durante o ciclo dia-noite.

Essencialmente, um lado do dispositivo captura o calor, que depois se irradia lentamente para o outro lado. Um dos lados sempre fica "correndo atrás do outro" enquanto o sistema tenta alcançar o equilíbrio. Esta diferença perpétua de temperatura entre os dois lados pode ser recolhida através de materiais termoelétricos convencionais.

"É algo que pode ficar sobre uma mesa e gerar energia aparentemente do nada. Estamos rodeados por flutuações de temperatura de todas as frequências o tempo todo. É uma fonte de energia inexplorada," disse o professor Michael Strano.

O sistema, chamado de ressonador térmico, poderá viabilizar o funcionamento contínuo de sistemas de baixo consumo de energia - sistemas de sensores para monitoramento ambiental, por exemplo - durante anos, sem necessidade de outras fontes de energia ou baterias.

Efusividade térmica

Para produzir eletricidade a partir de ciclos de temperatura, a equipe desenvolveu um material otimizado para uma característica pouco conhecida, chamada efusividade térmica - uma propriedade que descreve a facilidade com que o material pode extrair o calor do seu entorno ou liberá-lo no ambiente.

A efusividade térmica combina as propriedades de condução térmica (rapidez com que o calor pode se propagar através de um material) e capacidade térmica (quanto calor pode ser armazenado em um determinado volume de material). Na maioria dos materiais, se uma dessas propriedades é alta, a outra tende a ser baixa - a cerâmica, por exemplo, tem alta capacidade térmica, mas baixa condutividade.

Quem conseguiu contornar esse problema foi o pesquisador Anton Cottrill, mediante uma combinação de materiais cuidadosamente selecionados. A estrutura básica é uma espuma metálica feita de cobre ou níquel, que é revestida com uma camada de grafeno para proporcionar uma maior condutividade térmica. Em seguida, a espuma é infundida em um tipo de cera chamada octadecano, um material de mudança de fase, que oscila entre sólido e líquido dentro de uma determinada gama de temperaturas escolhidas para uma determinada aplicação.

"O material de mudança de fase armazena o calor e o grafeno oferece uma condução muito rápida quando chega a hora de usar esse calor para produzir uma corrente elétrica," explicou Cottrill.

O material pode ser ajustados para outros ciclos de frio e calor. [Imagem: Anton L. Cottrill et al. - 10.1038/s41467-018-03029-x]

Teste e aplicações práticas

Em resposta a uma diferença de temperatura de 10 graus Celsius entre a noite e o dia, uma pequena amostra do material produziu 350 milivolts de potencial e 1,3 miliwatt de potência - o suficiente para alimentar pequenos sensores ambientais ou sistemas de comunicação.

Embora os níveis de potência gerados pelo sistema até agora sejam modestos, o ressonador térmico superou um material piroelétrico comercial de tamanho idêntico - um método já conhecido para converter flutuações de temperatura em eletricidade - por um fator de mais de três em termos de energia por área.

Os testes iniciais foram feitos usando o ciclo diário de 24 horas da temperatura do ar ambiente, mas as propriedades do material podem ser ajustadas para possibilitar a colheita de outros tipos de ciclos de temperatura, como o calor do motor em uma geladeira ou de máquinas em instalações industriais, disse Cottrill.

Bibliografia:

Ultra-high thermal effusivity materials for resonant ambient thermal energy harvesting
Anton L. Cottrill, Albert Tianxiang Liu, Yuichiro Kunai, Volodymyr B. Koman, Amir Kaplan, Sayalee G. Mahajan, Pingwei Liu, Aubrey R. Toland, Michael S. Strano
Nature Communications
Vol.: 9, Article number: 664
DOI: 10.1038/s41467-018-03029-x

Fótons interagem com fótons, criando moléculas de luz Redação do Site Inovação Tecnológica -

Fótons interagem com fótons, criando moléculas de luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/02/2018

Uma possibilidade tentadora seria usar os fótons que interagem entre si para fazer sabres de luz. [Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Fótons que interagem entre si

Faça um experimento rápido: leve duas lanternas para uma sala escura e faça com que os feixes de luz de ambas se cruzem no espaço vazio.

Apenas para lhe poupar um pouco de trabalho, vale adiantar que o resultado será decepcionante: você não observará nada de peculiar. Isso ocorre porque os fótons individuais que compõem a luz não interagem entre si, eles simplesmente passam uns pelos outros, indo iluminar a parede ou o que encontrarem pela frente.

Mas, e se as partículas de luz pudessem ser induzidas a interagir, atraindo-se e repelindo-se como os átomos na matéria comum?

Uma possibilidade tentadora, embora ainda no reino da ficção científica, seria a fabricação de sabres de luz - feixes de luz que poderiam puxar e empurrar um ao outro. Ou, em um cenário mais provável, dois feixes de luz poderiam se encontrar e se fundir em um fluxo luminoso único para fazer coisas como... computações.

• Qual é a cor do sabre de luz mais poderoso?

Moléculas de luz

Pode parecer que esse comportamento óptico exigiria quebrar as leis da física, mas, de fato, ele acaba de ser demonstrado em um experimento bem comportado - sob condições especiais, os fótons de fato interagiram.

Qi-Yu Liang e seus colegas descreveram como os fótons se juntaram em duplas e trios, juntando-se para formar um tipo completamente novo de matéria fotônica - essencialmente, moléculas de luz.

O experimento consistiu em disparar um raio laser muito fraco através de uma nuvem densa de átomos de rubídio ultrafrios - um condensado de Bose-Einstein, uma espécie de átomo artificial, já que, sob temperaturas criogênicas, os átomos de rubídio entram em ressonância e passam a se comportar como se fossem um único átomo.

A surpresa é que, em vez de saírem da nuvem como fótons soltos, espaçados aleatoriamente, o que emergiu foram fótons unidos em pares ou mesmo trigêmeos, sugerindo que algum tipo de interação ocorreu entre eles - neste caso, uma atração.

• Luz líquida unifica eletrônica e fotônica

Os fótons juntaram-se em pares e trios, ganharam massa e ficaram mais lentos. [Imagem: Qi-Yu Liang et al. - 10.1126/science.aao7293]

Interações entre partículas

Embora os fótons normalmente não tenham massa e viajem a quase 300.000 quilômetros por segundo (a velocidade da luz), os fótons ligados na verdade adquiriram uma fração da massa de um elétron. Essas partículas de luz pesadas também se mostraram relativamente lentas, viajando cerca de 100.000 vezes mais devagar do que os fótons comuns.

Estes resultados, se confirmados por outras equipes, demonstram que os fótons podem, de fato, se atrair, ou se entrelaçar, uns com os outros. Como o átomo artificial gerou esse efeito é algo que ainda deverá ser pesquisado. Mas, se for possível fazê-los interagir de outras maneiras, esses fótons pesados poderiam ser usados para realizar cálculos - em processadores quânticos ou fotônicos extremamente rápidos, por exemplo.

Em seu artigo, a equipe se pergunta também se essas interações poderiam ocorrer não apenas entre dois fótons, mas também entre outras partículas.

"Por exemplo, você pode combinar moléculas de oxigênio para formar O2 e O3 (ozônio), mas não O4, e, para algumas moléculas, você não consegue formar nem mesmo uma molécula de três partículas. Então, fica uma questão em aberto: Você poderia adicionar mais fótons a uma molécula para fazer coisas maiores e maiores?" sugeriu o professor Vladan Vuletic, que há algum tempo vem sugerindo a possibilidade real de se criar moléculas de luz, cristais de pura luz e... sabres de luz.

É bom lembrar que, há pouco mais de um ano, uma equipe alemã apresentou uma outra técnica que também permite alterar a luz com a própria luz, uma outra forma de fazer com que fótons interajam com fótons.

• Cientistas solidificam a luz

Bibliografia:

Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D. Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletic
Science
DOI: 10.1126/science.aao7293

Experimentos revelam falha na teoria sobre Forças de van der Waals Redação do Site Inovação Tecnológica

Experimentos revelam falha na teoria sobre Forças de van der Waals

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/02/2018

As forças que unem as camadas do material não são tão fracas quanto a teoria propõe. [Imagem: University of Tsukuba]

Interações de van der Waals

A descoberta do grafeno levou a uma explosão no interesse nos sólidos 2D, materiais formados por camadas atômicas individuais ou empilhadas.

Como as interações fracas e de longa distância dão a esses materiais monoatômicos algumas das suas propriedades mais interessantes, entender essas interações é crucial para sua exploração tecnológica - mais especificamente, entender como as interações de van der Waals mantêm juntas as camadas atômicas.

Agora, acabam de ser realizados os primeiros experimentos de difração de raios X síncrotron no dissulfeto de titânio (TiS2), um metal de transição calcogenetocom uma estrutura 2D em camadas que já vem sendo pesquisado para uso na produção de hidrogênio solar e células solares.

E os resultados foram surpreendentes, mostrando que o papel da força de van der Waals é bem diferente do que as teorias propunham. Essa surpresa vem se juntar a outra demonstração recente, a de que as forças de Van Der Waals atraem e repelem, ao contrário do que os cientistas acreditavam até então.

Materiais de van der Waals

O TiS2 é um material de van der Waals arquetípico, com camadas que compreendem folhas de titânio (Ti) e de enxofre (S) interagindo através de ligações químicas fortes, com os elétrons sendo compartilhados entre os átomos, resultando em uma estrutura relativamente fixa. Entre estas folhas, as interações de van der Waals de longa distância (S-S) atraem as camadas umas para as outras, permitindo que elas se empilhem, formando materiais sólidos. Essas interações são conhecidas por serem muito mais fracas do que aquelas dentro das folhas 2D individuais.

No entanto, ao medir com precisão um cristal de TiS2, os pesquisadores descobriram que as interações entre as camadas são de fato muito mais fortes do que a teoria estabelece, e envolvem um compartilhamento significativo de elétrons.

"Este trabalho fornece uma compreensão fundamental de uma classe de materiais incríveis com numerosas aplicações potenciais em tecnologias como baterias iônicas, catálise e supercondutores," disse Hidetaka Kasai, da Universidade de Tsukuba, no Japão. "Nossos experimentos são os primeiros a revelar a verdadeira natureza das interações que tornam os materiais 2D tão interessantes, e esperamos que eles apoiem muitos desenvolvimentos futuros nesta área".

A equipe considera que os resultados obtidos no experimento dentro das camadas Ti-S, que se mostraram de acordo com as teorias, validam seus resultados quanto às interações de longo alcance ao longo dos intervalos intercamadas, que estão em desacordo com as teorias.

A expectativa é que essa descoberta contribua substancialmente para a compreensão fundamental das ligações químicas nos materiais 2D em geral, facilitando sua fabricação e interação com outros materiais, dois dos maiores entraves ao seu uso prático.

• Forças de van der Waals envolvem ondas, não partículas

Bibliografia:

X-ray electron density investigation of chemical bonding in van der Waals materials
Hidetaka Kasai, Kasper Tolborg, Mattia Sist, Jiawei Zhang, Venkatesha R. Hathwar, Mette O. Filso, Simone Cenedese, Kunihisa Sugimoto, Jacob Overgaard, Eiji Nishibori, Bo B. Iversen
Nature Materials
Vol.: 17, pages 249-252
DOI: 10.1038/s41563-017-0012-2

Robô bombeiro localiza fogo e apaga incêndio Redação do Site Inovação Tecnológica

Robô bombeiro localiza fogo e apaga incêndio

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/02/2018

Um operador humano usa uma interface virtual e uma roupa sensorizada para operar o robô de forma natural, como um avatar. [Imagem: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia]

Robô bombeiro

Engenheiros europeus testaram com sucesso a versão final do robô humanoide Walk-Man, projetado para dar apoio a equipes de emergência e resgate em casos de incêndios.

O robô é capaz de localizar a posição do fogo e caminhar em direção a ele, e depois ativar um extintor para apagá-lo.

Durante a operação, ele coleta imagens e as transmite de volta às equipes de emergência, que podem avaliar a situação e orientar o robô remotamente.

O projeto, financiado pela Comissão Europeia, começou em 2013 e agora chegou à fase final de validação. O trabalho envolveu pesquisadores do Instituto Italiano de Tecnologia e da Universidade de Pisa na Itália, da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL) na Suíça, do Instituto de Tecnologia Karlsruhe (KIT) na Alemanha e da Universidade Católica de Louvain na Bélgica. Cada parceiro contribuiu para diferentes aspectos do robô: controle de locomoção, capacidade de percepção, recursos e planejamento de movimento, ferramentas de simulação e controle de manipulação.

Durante o teste final, definido em colaboração com o órgão italiano de proteção civil em Florença, o robô Walk-Man lidou com um cenário representando uma planta industrial danificada por um terremoto, que gerou vazamentos de gás e um incêndio - portanto, uma situação perigosa para os bombeiros adentrarem de imediato.

O cenário foi recriado em laboratório, onde o robô conseguiu navegar por uma sala danificada e executar quatro tarefas específicas: abrir e atravessar a porta para entrar na área; localizar a válvula que controla o vazamento de gás e fechá-la; remover detritos no caminho; e, finalmente, identificar o fogo e ativar um extintor de incêndio.

O robô localizou o fogo e direcionou um extintor de incêndio para apagá-lo. [Imagem: IIT-Istituto Italiano di Tecnologia]

Avatar robótico

O Walk-Man é controlado através de uma interface virtual e uma roupa sensorizada, que permite que um operador humano comande sua manipulação e locomoção de forma muito natural, como um avatar. O operador orienta o robô de uma estação localizada longe do local do acidente, recebendo imagens e outras informações dos sistemas de percepção do robô.

O robô bombeiro tem 1,85 metro de altura e pesa 102 quilogramas, tendo sido fabricado com materiais leves, como ligas leves de alumínio (60%), magnésio e titânio (25%) e plásticos, além de algumas peças estruturais de aço.

O corpo mais leve reduziu o consumo de energia, permitindo que o Walk-Man opere com uma bateria menor (1 kWh), que lhe dá uma autonomia de duas horas. Ele é capaz de carregar uma carga útil de 10 kg por braço, sustentando-a por mais de 10 minutos.

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Primeiro material monocristalino para separar moléculas Redação do Site Inovação Tecnológica -

Primeiro material monocristalino para separar moléculas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  14/02/2018

O material pertence à categorias dos MOFs, sigla em inglês para estruturas metal-orgânicas. [Imagem: Kui Shen et al. - 10.1126/science.aao3403]

Sólido poroso monocristalino

Materiais porosos contêm espaços intermoleculares, ou cavidades entre os átomos de sua estrutura cristalina. Como essas cavidades, conhecidas como poros, podem armazenar e até separar moléculas, esses materiais são de grande valor para a indústria.

Agora, uma equipe internacional sintetizou um material poroso que é um cristal único, ou seja, tem uma estrutura cristalina contínua, garantindo maior pureza na separação molecular, o que o torna ideal para experimentos avançados de nanotecnologia e, sobretudo, no campo dos catalisadores.

E, além de ser um cristal único, a porosidade do material pode ser controlada. Sua estrutura, que compreende tipicamente microporos menores do que dois nanômetros, pode ser reforçada pela incorporação de macroporos até diâmetros superiores a 50 nanômetros.

Isso significa que moléculas maiores podem se alojar nos macroporos para posterior conversão ou transformação.

"Nós conseguimos desenvolver, pela primeira vez, um material monocristalino com porosidade controlada. Essas propriedades duplas tornam materiais como esse de valor único para uma variedade de aplicações nos campos da catálise e da adsorção," disse Rafael Luque, da Universidade de Córdoba, na Espanha.

A porosidade controlada é obtida com uma técnica simples, usando gotas de poliestireno, "um agente que é barato e prontamente disponível," destacou Luque.

Esse gradiente de porosidade promete tornar a catálise - a aceleração de uma reação química - mais rápida, mais efetiva e mais sensível a diferentes tamanhos e formas das moléculas envolvidas.

O novo material também poderá ter aplicações para sequestro de CO2 e para condutividade eletrônica.

Bibliografia:

Ordered macro-microporous metal-organic framework single crystals
Kui Shen, Lei Zhang, Xiaodong Chen, Lingmei Liu, Daliang Zhang, Yu Han, Junying Chen, Jilan Long, Rafael Luque, Yingwei Li, Banglin Chen
Science
Vol.: 359, Issue 6372, pp. 206-210
DOI: 10.1126/science.aao3403

Robô dos Jetsons era um sonho - e continua sendo Redação do Site Inovação Tecnológica -

Robô dos Jetsons era um sonho - e continua sendo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/02/2018

A Rosie dos Jetsons e o melhor que conseguimos até agora. [Imagem: Mahmoud/Nasir]

Robô dos sonhos

Já faz mais de 50 anos que a robô Rosie apareceu pela primeira vez na série de TV Os Jetsons, mas a governanta da família do futuro continua sendo a representante arquetípica dos robôs assistentes que todos sonham ter em casa.

Em cima de algo como um patim ligado ao corpo por um suporte único, Rosie aspirava a casa e lavava pratos sem qualquer sinal de desequilíbrio.

Mas qualquer coisa semelhante está muito distante da realidade. Mesmo falando apenas na habilidade de movimentação, os experimentos mostram que a nossa robótica mais avançada provavelmente só produziria mais um obstáculo dentro de casa, em vez de um ajudante.

Ocorre que a versão contemporânea da robô Rosie é considerada altamente instável.

Engenheiros da Universidade Rei Fahd, na Arábia Saudita, estão tentando salvar o projeto, e agora propuseram um sistema de controle para o robô equilibrista que eles batizaram de I-PENTAR - um acrônimo para o termo em inglês equivalente a "robô de pêndulo invertido com rodas".

"Um dos principais desafios no uso de robôs é... a incerteza. O desafio é como melhorar o desempenho desses robôs na presença dessa incerteza. O desenvolvimento de algoritmos de controle mais robustos e mais rápidos pode lidar com a incerteza," escreveram Magdi Mahmoud e Mohammad Nasir.

Robô que lida com a incerteza

A dupla constatou que a incerteza não pode ser totalmente removida do sistema, então a saída é permitir que o robô lide com ela.

O projeto I-PENTAR tem uma articulação na cintura, dois braços com cotovelos e uma plataforma móvel de pêndulo invertido. Tudo deve se mover de forma coordenada para que o robô não caia. Para isso, ele deve ter capacidade de processamento suficiente para avaliar em tempo real o solo sobre o qual se move, incluindo o ângulo e a aderência, e deve poder permanecer na posição vertical sem ficar balançando.

Depois de avaliar quatro arranjos diferentes, a dupla saudita acredita ter chegado a uma boa solução, ainda que tenham sido forçados a usar duas rodas espaçadas, lembrando um Segway.

"O equilíbrio superior permite que o robô mantenha sua posição original sem perder o equilíbrio," escreveu a dupla. "O robô foi inicialmente inclinado em 8 [graus], mas a velocidade angular do ângulo de inclinação foi zero. Após quase 3 segundos, a posição do centro da base retornou à sua posição original."

Criatividade

Três segundos para reequilibrar-se de uma inclinação menor do que a de qualquer rampa é um progresso para algo que se esborrachava no chão a cada tentativa de movimento, mas é claro que está longe de qualquer aplicação prática.

Assim, a ajuda robótica prometida há mais de 50 anos talvez tenha que esperar outro tanto para ser realizada. Ou, talvez, os criadores de desenhos animados possam ter alguma ideia mais plausível com a qual os roboticistas consigam trabalhar.

Bibliografia:

Robust Control Design of Wheeled Inverted Pendulum Assistant Robot
Magdi S. Mahmoud, Mohammad T. Nasir
Journal of Automatica Sinica
Vol.: 4, Issue 4
DOI: 10.1109/JAS.2017.7510613

Pele artificial reproduz sexto sentido de tubarões em condições reais Redação do Site Inovação Tecnológica -

Pele artificial reproduz sexto sentido de tubarões em condições reais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/02/2018

O novo sensor foi inspirado em um órgão localizado perto da boca dos tubarões, chamado ampola de Lorenzini. [Imagem: Marshall Farthing/Purdue]

Sexto sentido dos tubarões

Um "material quântico" que imita a capacidade dos tubarões de detectar minúsculos campos elétricos emitidos por presas a quilômetros de distância demonstrou funcionar bem em condições oceânicas, o que confirma sua ampla gama de aplicações potenciais.

O material manteve sua estabilidade funcional e não sofreu corrosão depois de ser imerso na água salgada em condições realísticas, um pré-requisito para sua utilização no oceano.

Além de darem um sexto sentido magnético para os humanos, peles eletrônicas feitas com essa tecnologia poderão revestir aviões e geradores eólicos e prometem reduzir o consumo de combustível dos navios.

Ampola de Lorenzini

O novo sensor foi inspirado em um órgão localizado perto da boca dos tubarões, chamado ampola de Lorenzini, que é capaz de detectar pequenos campos elétricos emitidos pelas presas que estão sendo caçadas.

O órgão que dá esse sexto sentido aos tubarões contém uma geleia que conduz os íons da água do mar até uma membrana especializada localizada na parte inferior da ampola. São as células sensíveis na membrana que permitem que o tubarão detecte os campos bioelétricos conforme os íons vão e vêm.

"Estamos trabalhando nisso há alguns anos. Mostramos que esses sensores podem detectar potenciais elétricos bem abaixo de um volt, na ordem de milivolts, o que é comparável aos potenciais elétricos emanados por organismos marinhos. O material é muito sensível. Nós calculamos a distância de detecção do nosso dispositivo e constatamos uma escala de comprimento semelhante ao que foi relatado para os eletrorreceptores dos tubarões," disse o professor Shriram Ramanathan, da Universidade Purdue, nos EUA.

Niquelato de samário

O sensor artificial foi feito com um material chamado niquelato de samário, que é um "material quântico", o que significa que seu desempenho é baseado em interações em nível atômico e molecular. O niquelato de samário pertence a uma classe de materiais chamados sistemas de elétrons fortemente correlacionados, que possuem propriedades eletrônicas e magnéticas exóticas, só explicadas pela mecânica quântica.

Como este material conduz prótons muito rapidamente, o que faz com que ele sofra uma dramática mudança de fase de condutor para isolante, ele é perfeito para funcionar como um detector muito sensível. O material também troca massa com o ambiente, à medida que os prótons da água do mar movem-se para o material e depois retornam à água, indo e voltando.

Metais como o alumínio, por exemplo, formam imediatamente um revestimento de óxido quando colocados na água do mar. A reação protege contra a corrosão, mas evita uma maior interação com o meio ambiente, impedindo seu uso como sensor. "Aqui, nós começamos com o material óxido e conseguimos manter sua funcionalidade, o que é muito raro," disse Ramanathan.

O niquelato de samário também altera suas propriedades ópticas, tornando-se mais transparente à medida que passa para a fase isolante. "Se o material transmite a luz de forma diferente, você pode usar a luz como uma sonda para estudar a propriedade do material e isso é muito poderoso. Agora você tem várias maneiras de estudar o material, eletricamente e opticamente," finalizou Ramanathan.

Bibliografia:

Perovskite Nickelates as Electric Field Sensors in Salt Water
Zhen Zhang, Derek Schwanz, Badri Narayanan, Michele Kotiuga, Joseph A. Dura, Mathew Cherukara, Hua Zhou, John W. Freeland, Jiarui Li, Ronny Sutarto, Feizhou He, Chongzhao Wu, Jiaxin Zhu, Yifei Sun, Koushik Ramadoss, Stephen S. Nonnenmann, Nanfang Yu, Riccardo Comin, Karin M. Rabe, Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan, Shriram Ramanathan
Nature
Vol.: 553, pages 68,72
DOI: 10.1038/nature25008

Píxel passivo gera cores vívidas com resolução de 85.000 dpi Redação do Site Inovação Tecnológica

Píxel passivo gera cores vívidas com resolução de 85.000 dpi

Redação do Site Inovação Tecnológica -  16/02/2018

As cores são alteradas pela geometria das nanoantenas. [Imagem: Yusuke Nagasaki et al. - 10.1021/acs.nanolett.7b03421]

Píxeis de metamateriais

Até agora, os metamateriaisusados para criar cores ajustáveis a partir da geometria estrutural do material têm sido fabricados usando metais.

Embora sejam bons para se obter altas resoluções, os materiais artificiais metálicos sofrem perdas de energia justamente nos comprimentos de onda visíveis, o que torna difícil otimizá-los para se obter cores realmente puras.

Por outro lado, a ressonância dos materiais feitos de silício permite alta reflectância e pureza de cor, mas vinha sendo difícil construir esses nano-metamateriais de silício.

Um trio de pesquisadores da Universidade de Osaka, no Japão, agora alcançou um controle preciso das cores usando um tipo de silício conhecido como monocristalino, o tipo mais puro do semicondutor.

"O uso do silício nos permitiu alcançar alta resolução e alta saturação. Materiais totalmente dielétricos que podem produzir píxeis coloridos individuais com alta resolução, sem mistura de cores, oferecem vantagens claras em relação aos materiais metálicos," disse o professor Junichi Takahara.

85.000 dpi

As matrizes metamateriais construídas pela equipe apresentam padrões em nanoescala que funcionam como antenas, que convertem a radiação óptica em energia localizada.

Isto permitiu gerar cores vivas completamente controladas pela geometria das antenas. A equipe também demonstrou a geração de luz branca, o que é importante para a impressão a cores realística. Além disso, a informação em duas cores torna-se inerente a cada píxel, podendo ser alternada alterando a polarização da luz incidente.

A minúscula dimensão das antenas permitiu a obtenção de resolução abaixo do comprimento de onda da luz, tudo feito dentro de matrizes unitárias de apenas 300 × 300 nanômetros - em termos de aplicações finais, isso pode ser comparado a uma impressão com uma resolução de cerca de 85.000 dpi.

Bibliografia:

All-Dielectric Dual-Color Pixel with Subwavelength Resolution
Yusuke Nagasaki, Masafumi Suzuki, Junichi Takahara
Nano Letters
Vol.: 2017, 17 (12), pp 7500-7506
DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03421

Células solares de plástico ficam ainda mais simples Redação do Site Inovação Tecnológica -

Células solares de plástico ficam ainda mais simples

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/02/2018

O material ativo usado até agora nas células solares de plástico como "receptor" de cargas foi substituído por um material amorfo, simplificando a fabricação. [Imagem: Yutaka Ie et al. - 10.1002/aenm.201702506]

Células solares de plástico

Pesquisadores da Universidade de Osaka (Japão) e do Instituto Max Planck (Alemanha) reformularam alguns polímeros usados pela eletrônica orgânica para criar um novo tipo de célula solar que não necessita de tratamentos especiais extras.

A célula solar de plástico apresentou uma excelente eficiência na conversão de energia da energia solar em eletricidade e continua podendo ser fabricada por impressão rolo a rolo, em grandes painéis flexíveis, transparentes e de baixo custo.

Apesar de as células solares plásticas terem potencial para serem muito baratas e versáteis, sua eficiência está intimamente relacionada com a forma como os diferentes tipos de materiais se misturam e se cristalizam em filmes finos conforme os polímeros condutores são aplicados por impressão. Isso significa que geralmente é necessário um processamento complexo e cuidadoso, em várias etapas, para fabricá-las.

"As células solares orgânicas convencionais já alcançaram boas eficiências, mas os filmes de polímero nesses dispositivos geralmente requerem processamento especial para garantir a cristalização correta. Em vez disso, nós focamos em misturas amorfas de polímeros para evitar essas questões," contou o professor Yutaka Ie.

Polímero condutor de cargas positivas

É fácil entender o problema: as células solares orgânicas funcionam com base na luz solar energizando - ou excitando - elétrons em um polímero. Os elétrons energizados - cargas negativas - são então transferidos para o lado positivo da célula solar. O espaço deixado por um elétron é conhecido como lacuna - carga positiva. E as lacunas também precisam passar para o outro lado da célula solar para completar o circuito e fazer a eletricidade fluir.

Assim, o X da questão está no "passar para o outro lado". Hoje, o material mais usado é um fulereno, uma molécula de carbono em formato de bola de futebol - portanto, um material cristalino, com poucos átomos de espessura, complicado de sintetizar no lugar certo, bem no meio da célula solar.

Yutaka e seus colegas então reprojetaram a estrutura desse polímero ativo até descobrir um componente extra não-cristalino, ou amorfo - o nome completo é tiofeno anilizado com benzodioxociclohexeno -, que melhora a condutividade das cargas positivas de forma intrínseca. Isso dispensa os reprocessamentos ou passos adicionais para cristalizar os materiais.

"Ser capaz de fazer essas células sem ter que prestar muita atenção à estrutura do cristal dos filmes de polímero vai nos permitir fabricar esses dispositivos em massa usando métodos simples de impressão, o que deve reduzir consideravelmente os custos dos dispositivos e levar a uma adoção muito maior," disse o professor Yoshio Aso.

Bibliografia:

Enhanced Photovoltaic Performance of Amorphous Donor-Acceptor Copolymers Based on Fluorine-Substituted Benzodioxocyclohexene-Annelated Thiophene
Yutaka Ie, Koki Morikawa, Wojciech Zajazkowski, Wojciech Pisula, Naresh B. Kotadiya, Gert-Jan A. H. Wetzelaer, Paul W. M. Blom, Yoshio Aso
Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.201702506