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Laboratórios científicos entram na onda do hardware livre Redação do Site Inovação Tecnológica -

Laboratórios científicos entram na onda do hardware livre

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/07/2017

Modelo 3D do FlyPi (esquerda) e modelo básico montado (direita). [Imagem: Tom Baden/CCAL]

Laboratório com hardware livre

Um brasileiro, atualmente na Universidade de Tubingen, na Alemanha, está por trás de um esforço de ciência aberta e hardware livre conhecido como "laboratório aberto", ou open labware - equipamentos de código livre para aplicações em laboratórios de pesquisa e ensino.

Juntamente com colegas do Reino Unido, André Maia Chagas acaba de apresentar o "FlyPi" - um sistema de imageamento e microscopia de baixo custo com capacidade suficiente para ser usado em pesquisas científicas, no treinamento de pesquisadores ou no ensino.

Os equipamentos necessários para os experimentos de neurociências, para os quais o FlyPi foi pensado, podem custar facilmente dezenas ou mesmo centenas de milhares de euros, limitando as pesquisas de alto nível e o treinamento científico aos institutos mais bem aparelhados dos países ricos.

O "FlyPi", que pode ser montado a partir de €100, consegue executar vários protocolos padrão de laboratório, incluindo microscopia de luz e fluorescência, optogenética, termogenética e estudos comportamentais em animais pequenos, como moscas da fruta, larvas de peixe zebra ou vermes C. Elegans.

Democratizando a ciência

O projeto é baseado em uma estrutura impressa em 3D que recebe um microcomputador Raspberry Pi, uma câmera, LEDs para iluminação e lentes simples, bem como um circuito de controle óptico e térmico baseado no Arduino, outro microcontrolador de código aberto.

Juntos, esses componentes custam menos de 100 euros para o sistema básico e podem ser modificados de acordo com os objetivos do laboratório. O sistema FlyPi oferece opções modulares e de baixo custo para pesquisa, e as instruções de uso são disponibilizadas gratuitamente através de plataformas de código aberto.

"Muitas instituições em todo o mundo têm pouco dinheiro para gastar em equipamentos caros. Acreditamos que é muito importante que o treinamento e a pesquisa em neurociências se abra a um número maior de estudantes e cientistas juniores. Assim, esperamos que, com laboratórios abertos como nosso FlyPi, possamos oferecer um ponto de partida," disse Tom Baden, membro da equipe.

O grupo envolvido no desenvolvimento do FlyPi já ministrou cursos de impressão 3D, programação e montagem de equipamentos de laboratório do tipo faça você mesmo em universidades do Quênia, Uganda, Gana, Nigéria, África do Sul, Sudão e Tanzânia.

Todo o projeto do FlyPi pode ser encontrado no endereço https://open-labware.net/projects/flypi/.

Bibliografia:

The €100 lab: A 3D-printable open-source platform for fluorescence microscopy, optogenetics, and accurate temperature control during behaviour of zebrafish, Drosophila, and Caenorhabditis elegans
André Maia Chagas, Lucia L. Prieto-Godino, Aristides B. Arrenberg, Tom Baden
PLoS Biology
Vol.: 15(7): e2002702
DOI: 10.1371/journal.pbio.2002702

Motor pneumático macio produz movimento cíclico Redação do Site Inovação Tecnológica -

Motor pneumático macio produz movimento cíclico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/07/2017

Motor pneumático

Engenheiros criaram um novo tipo de atuador pneumático capaz de gerar movimento cíclico a partir de uma estrutura mole e flexível.

Um atuador é um mecanismo que transforma um tipo de energia em outro. Até agora, a maioria dos atuadores pneumáticos era rígida e volumosa, impedindo a disseminação de seu uso, por exemplo, entre os robôs.

O novo aparelho é biomimético, ou seja, é inspirado na natureza, imitando o mecanismo de movimentação de um réptil. E, ao contrário da maioria dos atuadores pneumáticos, funciona com pressão negativa.

Alar Ainla e seus colegas da Universidade de Harvard, nos EUA, apontam várias vantagens deste novo método para obter movimento circular a partir de uma haste dentro de um atuador pneumático macio. Entre elas estão a dispensa da necessidade de lubrificação, a eliminação do risco de rompimento em caso de se atingir pressões acima das especificações operacionais, a possibilidade de usar o equipamento em operações sensíveis a campos eletromagnéticos e a possibilidade de uso junto a produtos inflamáveis, onde um motor elétrico poderia causar explosões.

• Bexigas elétricas formam músculos para máquinas elásticas

Estrutura e protótipo do motor pneumático flexível. [Imagem: Alar Ainla - 10.1089/soro.2017.0017]

"Trabalhar com máquinas macias apresenta desafios enormes de projeto e nos aspectos técnicos necessários para construir um equipamento funcional. Este é um exemplo engenhoso de um dispositivo que usa materiais macios para operar em ambientes que não seriam adequados para os robôs mais tradicionais," comentou o professor Barry Trimmer, especialista em robôs biomiméticos da Universidade Tufts, que não esteve envolvido neste desenvolvimento.

• Robôs químicos assumirão qualquer forma e serão biodegradáveis

Bibliografia:

Soft, Rotating Pneumatic Actuator
Alar Ainla, Mohit S. Verma, Dian Yang, George M. Whitesides
Soft Robotics
DOI: 10.1089/soro.2017.0017

Robô sem bateria e sem fios? Sem problemas Redação do Site Inovação Tecnológica -

Robô sem bateria e sem fios? Sem problemas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/07/2017

A pequena garra deste robô também se movimenta pelo mesmo princípio, sendo aberta e fechada de forma controlada. [Imagem: Wyss Institute at Harvard University]

Robôs de origami para medicina

Engenheiros da Universidade de Harvard, nos EUA, estão começando a alimentar seus robôs flexíveis usando transmissão de eletricidade à distância.

A equipe é especializada em pequenos robôs construídos com técnicas de origami, que têm uma vocação natural para serem leves e flexíveis. Mas os fios e as baterias estragam tudo.

"Tal como no origami, um dos principais pontos do nosso design é a simplicidade. Este sistema requer apenas componentes eletrônicos básicos e passivos no robô para receber a eletricidade - a estrutura do próprio robô cuida do resto," disse o pesquisador Je-sung Koh.

"Os dispositivos médicos hoje são geralmente limitados pelo tamanho das baterias que os alimentam, enquanto esses robôs de origami com energia remota podem romper essa barreira de tamanho e potencialmente oferecer abordagens totalmente novas e minimamente invasivas para medicamentos e cirurgias no futuro," acrescentou o professor Donald Ingber.

Músculos artificiais e triângulos

O módulo básico responsável pela movimentação dos robôs é plano e fino, lembrando o papel no qual se baseiam. São tetraedros plásticos com três triângulos externos conectados a um triângulo central por dobradiças.

Anexadas às dobradiças vão bobinas feitas de um tipo de músculo artificialconhecido como liga com memória de forma (SMA), que, após sofrer uma deformação, pode recuperar sua forma original por aquecimento a uma determinada temperatura.

Quando as dobradiças do robô ficam planas, as bobinas SMA são esticadas em seu estado "deformado"; quando uma corrente elétrica é passada através do circuito e as bobinas aquecem, elas retornam ao seu estado original, ou "relaxado", contraindo-se como pequenos músculos e dobrando os triângulos externos em direção ao centro. Quando a corrente é interrompida, as bobinas SMA são esticadas de volta devido à flexão da dobradiça, fazendo os triângulos externos retornarem à sua posição.

É essa alternância de posições que movimenta os robôs e aciona suas pequenas garras frontais.

Estrutura básica de movimentação dos robôs de origami, baseada em triângulos e músculos artificiais. [Imagem: Wyss Institute at Harvard University]

Eletricidade seletiva

A novidade nesta versão dos robôs de origami é que a eletricidade agora está sendo transmitida sem fios para os robôs, que puderam ficar mais simples e mais leves, o que permitirá que eles assumam funcionalidades, e não fiquem apenas andando de um lado para o outro.

Uma bobina externa conectada a uma fonte de energia gera um campo magnético, que por sua vez induz uma corrente nos circuitos do robô. Para controlar quais bobinas vão se contrair a cada momento, a equipe construiu um ressonador em cada bobina e ajustou-o para responder apenas a uma frequência eletromagnética específica. Ao alterar a frequência do campo magnético externo, eles conseguem gerar energia para cada bobina independentemente.

"Não apenas os movimentos de dobramento dos nossos robôs são repetitivos, como também podemos controlar quando e onde esses movimentos acontecem, o que permite movimentos mais complexos," disse o pesquisador Mustafa Boyvat.

Bibliografia:

Addressable wireless actuation for multijoint folding robots and devices
Mustafa Boyvat, Je-Sung Koh, Robert J. Wood
Science Robotics
Vol.: 2, Issue 8, eaan1544
DOI: 10.1126/scirobotics.aan1544

Inventado um novo tipo de transístor: o Transístor de Coulomb Redação do Site Inovação Tecnológica

Inventado um novo tipo de transístor: o Transístor de Coulomb

Redação do Site Inovação Tecnológica -  25/07/2017

A grande vantagem do novo transístor é que ele é fabricado em solução química, sem os complicados e caros equipamentos de litografia. [Imagem: Svenja Willing et al. - 10.1126/sciadv.1603191]

Transístor de nanopartículas

Se não dá mais para miniaturizar os transistores e manter a Lei de Moore em vigência, que tal inventar um novo tipo de transístor?

Foi justamente o que fizeram Svenja Willing e seus colegas da Universidade de Hamburgo, na Alemanha, que fabricaram transistores que funcionam com base em um princípio completamente diferente dos conhecidos componentes que fazem todos os computadores e demais equipamentos eletrônicos funcionarem.

Willing usou nanopartículas feitas de metais, mas tão pequenas que não apresentam mais seu caráter metálico quando uma corrente elétrica as atravessa. Em vez disso, elas se comportam mais como um semicondutor, apresentando um intervalo de banda de energia (bandgap).

Transístor de Coulomb

Curiosamente, em vez de se originar na energia necessária para fazer um elétron mudar de camada, como nos semicondutores convencionais, esse bandgap é gerado pela repulsão de Coulomb entre os próprios elétrons - a Lei de Coulomb é uma lei da física que descreve a interação eletrostática entre partículas eletricamente carregadas.

Usando uma tensão externa, esse intervalo de energia pode ser controlado, o que permite que a corrente elétrica circulando entre as nanopartículas possa ser ligada e desligada - o funcionamento típico de um transístor.

"O que é cientificamente interessante é que as partículas de metal herdam propriedades parecidas com semicondutores devido ao seu pequeno tamanho. Claro, ainda há muita pesquisa a ser feita, mas nosso trabalho mostra que existem alternativas aos conceitos tradicionais de transístor que podem ser usados no futuro em vários campos de aplicação.

"Os componentes desenvolvidos por nosso grupo podem ser usados não apenas como transistores, mas também são muito interessantes como sensores químicos, porque os interstícios entre as nanopartículas, que funcionam como as chamadas barreiras de tunelamento, reagem de forma altamente sensível aos depósitos químicos," disse o professor Christian Klinke, coordenador da equipe.

Fabricação química

O novo tipo de transístor também é promissor porque seu processo de fabricação é diferente das abordagens semelhantes feitas anteriormente com nanopartículas, nas quais as nanopartículas são depositadas como estruturas individuais, o que torna a fabricação dos componentes muito complexa e suas propriedades muito variáveis.

Neste caso, as nanopartículas são depositadas como filmes finos a partir de soluções coloidais, formando películas com a altura de apenas uma camada de nanopartículas. E tudo a temperatura ambiente.

Usando esse método, as características elétricas dos componentes tornam-se não apenas ajustáveis, mas virtualmente idênticas.

Bibliografia:

Metal nanoparticle film-based room temperature Coulomb transistor
Svenja Willing, Hauke Lehmann, Mirjam Volkmann, Christian Klinke
Science Advances
Vol.: 3, no. 7, e1603191
DOI: 10.1126/sciadv.1603191

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Robô-texugo vai perfurar sozinho túneis em cidades Redação do Site Inovação Tecnológica

Robô-texugo vai perfurar sozinho túneis em cidades

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/07/2017

O robô-texugo deverá fazer perfurações usando técnicas de ultrassom. [Imagem: Badger Project/Divulgação]

Robô-texugo

Engenheiros espanhóis foram buscar inspiração nos texugos para criar um robô capaz de navegar de forma autônoma pelos subterrâneos das cidades, escavando seus próprios túneis de forma planejada.

Com a urbanização, as linhas de energia e comunicações, os dutos de fornecimento de água e gás, a coleta de esgoto e o transporte estão se movendo da superfície para o subsolo.

Até agora, a maior parte dessa infraestrutura fica à sua própria sorte, e seu desgaste só é percebido tarde demais - quando a água jorra ou bueiros explodem com vazamentos de gás, por exemplo.

Mas o objetivo do Projeto Texugo (Badger Project) é maior do que simplesmente checar o que já está pronto.

Robô perfurador

O objetivo é criar robôs que possam ser usados para guiar ou realizar sozinhos as escavações para a instalação de novas infraestruturas, fazendo os furos de forma autônoma - um texugo-robô.

Isso está exigindo o desenvolvimento de novas tecnologias, uma vez que a navegação subterrânea é muito diferente da navegação dos robôs que andam ou rolam pela superfície - pense nos carros sem motoristas, por exemplo, o tipo mais avançado de navegação robótica atualmente em desenvolvimento.

"O uso de técnicas inovadoras de localização, mapeamento e navegação, juntamente com sensores e georradares, permitirá que os robôs sejam adaptados a diferentes terrenos e ajudem na análise do ambiente de trabalho e na tomada de decisões na consecução dos objetivos," disse o professor Carlos Balaguer, da Universidade Carlos III de Madri.

Todos esses sensores, georradares e computadores necessários para processar os sinais e embasar a tomada de decisões estão sendo embutidos no próprio robô-texugo, para que ele possa se tornar de fato autônomo.

A mineração é outro campo que deverá ganhar com o desenvolvimento do robô-texugo. [Imagem: Badger Project/Divulgação]

Reforço dos túneis

E os planos da equipe são ainda mais ambiciosos.

Eles pretendem que versões futuras do seu robô-texugo consigam fazer a perfuração do solo com a ajuda de técnicas de ultrassom.

Por último, uma impressora 3D rotativa instalada no próprio robô permitirá que ele reforce o túnel assim que acabar de perfurá-lo, deixando tudo pronto para a passagem de tubos e cabos.

"Ele irá [permitir] operações de busca e salvamento em deslizamentos de terra, atividades de mineração, aplicações com uso civil, como tubos de água, gás e fibra óptica, técnicas de exploração, mapeamento etc," disse Balaguer.

Cheiros são detectados pelo som da luz Redação do Site Inovação Tecnológica -

Materiais Avançados

Cheiros são detectados pelo som da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/07/2017

O aparato de laboratório ainda é grande, mas poderá ser facilmente miniaturizado para uso em campo. [Imagem: Gerald Diebold]

Detecção de gases

Uma nova técnica, baseada em um cristal especialmente sintetizado em laboratório, permite a detecção de gases até concentrações ao nível de partes por quadrilionésimo - 10^-15, ou 0,000 000 000 000 001.

O método usa uma variação do efeito fotoacústico, um fenômeno que possibilita medir o som gerado quando a luz interage com as moléculas.

"De muitas maneiras, o efeito fotoacústico já é o método mais prático disponível para a detecção de poluentes na atmosfera. Mas, quando a concentração das moléculas que você está tentando detectar diminui para o nível de partes por trilhão, o sinal também se torna fraco demais para detectar.

"Nós desenvolvemos uma nova técnica fotoacústica que amplifica o sinal e nos permite chegar ao nível de partes por quatrilhão, o que, pelo que saibamos, é um recorde," disse o professor Gerald Diebold, da Universidade Brown (EUA), que desenvolveu a técnica em colaboração com colegas da Universidade de Shandong (China).

Efeito fotoacústico

O efeito fotoacústico ocorre quando um feixe de luz é absorvido por um gás, líquido ou sólido, o que gera uma expansão no material. A expansão é um movimento mecânico que produz uma onda sonora. O efeito foi descoberto por Alexander Graham Bell na década de 1880, mas foi de pouco valor prático até a invenção do laser, que tornou os sinais fotoacústicos suficientemente fortes para serem detectáveis - graças à frequência estreita e à alta potência da luz do laser.

Como as diferentes moléculas absorvem a luz em diferentes frequências, ajustando a frequência do laser é possível ajustar um detector para substâncias específicas.

Mas, quanto menor a concentração da substância alvo, mais silencioso é o sinal. Então Diebold e seus colegas usaram uma técnica não convencional para aumentar a amplitude do sinal. Eles criaram um cristal que vibra precisamente na frequência combinada de dois lasers, o que permitiu usar não apenas o sinal original do laser, mas também suas ressonâncias.

"O que fizemos foi inventar um método que se baseia em três ressonâncias diferentes. O sinal aumenta com cada ressonância," explicou o pesquisador.

Ressonância

Em vez de um único feixe de laser, são combinados dois feixes em uma frequência e ângulo específicos. A união dos feixes cria uma grade - um padrão de interferência entre os dois feixes. Quando as frequências são ajustadas corretamente, a grade viaja em uma célula de detecção à velocidade do som, criando um efeito de amplificação em cada um dos picos - as partes mais claras do padrão de interferência.

A segunda ressonância é criada pelo próprio cristal, que vibra precisamente na frequência dos lasers combinados. As pequenas forças de compressão nas ondas de pressão acústicas aumentam gradualmente o movimento no cristal, da mesma forma que pequenos e repetidos impulsos em uma gangorra fazem a criança ir cada vez mais alto.

A terceira ressonância é gerada ajustando o comprimento da cavidade em que o cristal é montado, de modo que ele ressoe quando uma integral dos meios-comprimentos de onda do som corresponde exatamente com o comprimento da cavidade.

Como o cristal é piezoelétrico, ele gera uma tensão elétrica proporcional ao seu movimento oscilatório, que é enviada para amplificadores e dispositivos eletrônicos para registrar o sinal acústico e identificar a molécula.

A equipe afirma que a nova técnica deverá elevar muito a capacidade de detecção de gases diluídos na atmosfera e a liberação de compostos voláteis em testes de laboratório.

Bibliografia:

Photoacoustic trace detection of gases at the parts-per-quadrillion level with a moving optical grating
Lian Xiong, Wenyu Bai, Feifei Chen, Xian Zhao, Fapeng Yu, Gerald J. Diebold
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1706040114

Nanofolhas de carbono: Novo material muda de forma e cor Redação do Site Inovação Tecnológica

Nanofolhas de carbono: Novo material muda de forma e cor

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/07/2017

As propriedades ópticas do material mudam em macroescala devido à sua mudança de forma em nanoescala. [Imagem: UNIST]

Nanofolhas híbridas de carbono

Pesquisadores coreanos criaram um novo tipo de nanomaterial de carbono que é capaz de mudar de forma e de cor de acordo com o tipo de solvente em que são mergulhados.

Esses novos materiais, chamados nanofolhas híbridas de carbono, que apresentam a estranha propriedade batizada de solvatocromia, estão chamando a atenção de cientistas e engenheiros devido às suas propriedades e estruturas ópticas únicas.

As nanofolhas solvatocromáticas - elas mudam de cor de acordo com o solvente em que estão diluídas - apresentam uma capacidade de emissão de cores altamente configurável, indo do azul ao laranja - e até branco.

Morfologia e cor

As nanofolhas de carbono (CNS: Carbon NanoSheets) acumulam grupos de anéis de carbono na superfície de folhas de óxido de grafeno, anéis estes gerados por uma reação hidrotérmica de pequenos precursores moleculares.

Quando postas sob luz visível ou ultravioleta, elas brilham com uma cor que pode ser ajustada variando os solventes.

Este comportamento espectroscópico é gerado por interações das ligações de hidrogênio entre as nanofolhas e os solventes, que eventualmente induzem uma transição morfológica das nanofolhas 2D para morfologias 3D - algo como folhas amassadas -, mudando a forma como elas refletem a luz.

"Através desta pesquisa, esperamos melhorar as características físicas desses materiais híbridos e expandir seus campos de aplicação," disse o professor Byeong-Su Kim, cuja equipe já havia sintetizado um material 2 em 1 que serve tanto para LEDs como para células solares.

Esta é mais uma de uma série de descobertas recentes envolvendo novas formas de carbono:

• Nova forma de carbono é dura como pedra e elástica como borracha
• Sintetizado um nanocinto de carbono - depois de 60 anos de tentativas
• Carbono torcido miniaturiza bobinas, solenoides e motores
• Nova fase do carbono: Diamante a temperatura ambiente

Bibliografia:

Morphology Tunable Hybrid Carbon Nanosheets with Solvatochromism
Yuri Choi, Sunghu Kim, Yeongkyu Choi, Jaeeun Song, Tae-Hyuk Kwon, Oh-Hoon Kwon, Byeong-Su Kim
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201701075

Fotodetector em nanoescala beneficiará câmeras, células solares e muito mais Redação do Site Inovação Tecnológica

Fotodetector em nanoescala beneficiará câmeras, células solares e muito mais

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/07/2017

Esta ilustração mostra as diferentes camadas do fotodetector em nanoescala, incluindo o germânio (vermelho) entre camadas de ouro ou alumínio (amarelo) e óxido de alumínio (roxo). A camada inferior é um substrato de prata.[Imagem: University at Buffalo]

Nano-fotodetector

Não é à toa que a miniaturização se tornou a alma da tecnologia moderna.

Assim como transistores cada vez menores tornaram os computadores cada vez mais poderosos, o mesmo está acontecendo com os componentes optoeletrônicos.

É o caso, por exemplo, dos sensores das câmeras digitais ou das células solares, que coletam luz e a convertem em energia elétrica. Conforme esses componentes seguem na onda da miniaturização, isso deverá significar painéis solares menores e mais leves, fotos de alta qualidade em condições de pouca iluminação, ou a transmissão mais rápida de informações, já que os emissores e sensores de luz são parte essencial das comunicações por fibras ópticas.

Zhenyang Xia e seus colegas da Universidade de Buffalo, nos EUA, deram sua contribuição para que essas possibilidades se tornem realidade.

Eles criaram um fotodetector - um sensor de luz - em nanoescala que detonou com a concorrência.

"Nós criamos um componente extraordinariamente potente e excepcionalmente pequeno que converte luz em energia. As aplicações potenciais são entusiasmantes porque ele poderá ser usado para produzir tudo, de painéis solares mais eficientes a fibras ópticas mais potentes," disse o professor Qiaoqiang Gan, coordenador da pesquisa.

Esquema do fotodetector, formado por uma camada de cristais individuais de germânio. [Imagem: Zhenyang Xia]

Fotossensor

A miniaturização do fotossensor foi possível porque a equipe encontrou uma maneira de resolver dois problemas que vinham atrapalhando a redução no tamanho desses componentes: a diminuição do tamanho dos materiais de filmes finos normalmente degrada sua qualidade, além de torná-los virtualmente transparentes, o que reduz justamente sua capacidade de captar a luz.

Xia usou uma membrana extremamente fina de cristais do semicondutor germânio - material padrão nesse campo - e a colocou em uma nanocavidade. A nanocavidade é feita de uma série de moléculas interconectadas que, juntas, fazem a luz recircular, permitindo sua captação com mais eficiência.

Com isso, embora a miniaturização tenha deixado o material muito mais fino, ele funciona como se fosse muito mais grosso, graças a essa reciclagem da luz.

A equipe pretende agora testar sua técnica usando outros semicondutores.

"E, igualmente importante, ajustando a nanocavidade podemos controlar o comprimento de onda que realmente queremos absorver. Isso abrirá o caminho para desenvolver muitos componentes optoeletrônicos diferentes," concluiu o professor Gan.

Bibliografia:

Single-crystalline germanium nanomembrane photodetectors on foreign nanocavities
Zhenyang Xia, Haomin Song, Munho Kim, Ming Zhou, Tzu-Hsuan Chang, Dong Liu, Xin Yin, Kanglin Xiong, Hongyi Mi, Xudong Wang, Fengnian Xia, Zongfu Yu, Zhenqiang Ma, Qiaoqiang Gan
Science Advances
Vol.: 3, no. 7, e1602783
DOI: 10.1126/sciadv.1602783

Você poderá confiar em um computador quântico mesmo via internet Redação do Site Inovação Tecnológica -

Você poderá confiar em um computador quântico mesmo via internet

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/07/2017

Pode ser possível controlar um computador quântico através da internet sem revelar seu programa ou seus dados, graças às muitas maneiras possíveis com que a informação pode fluir pelos qubits.[Imagem: Timothy Yeo/CQT National University of Singapore]

Programa e dados seguros

O cenário é o seguinte: Você tem dados confidenciais e um problema que apenas um computador quântico pode resolver. Você não possui um computador quântico, mas pode comprar tempo em um. Mas você não quer compartilhar seus segredos. O que você pode fazer?

Os teóricos da computação quântica até agora concordavam que você não poderia fazer nada - além, é claro, de abrir mão dos seus segredos ou comprar seu próprio computador quântico.

Atul Mantri e seus colegas de Cingapura e da Austrália, contudo, acabam de demonstrar que existe sim uma maneira de usar um computador quântico de forma segura, mesmo pela internet. A técnica pode ocultar não apenas seus dados, mas também seus programas, do próprio computador, de forma que nem mesmo o dono do computador conseguirá ver o que você esteve fazendo.

"Nós estamos estudando o que é possível se você é alguém que apenas interage com um computador quântico através da internet do seu laptop. Descobrimos que é possível ocultar algumas computações interessantes," disse Joseph Fitzsimons, que liderou o trabalho.

Criptografia por medição

Os computadores quânticos funcionam processando bits de informações armazenados em estados quânticos. Ao contrário dos bits binários, cada um 0 ou 1, os qubits podem estar em superposições de 0 e 1 e também podem ser entrelaçados - ou emaranhados -, o que se acredita ser crucial para o poder de processamento dos computadores quânticos.

A equipe bolou um esquema no qual o computador quântico é preparado colocando-se todos os seus qubits em um tipo especial de estado emaranhado. Em seguida, a computação é realizada medindo-se os qubits um a um. Para isso, o usuário fornece instruções passo a passo para cada medição, o que significa que cada etapa do algoritmo codifica os dados de entrada e o próprio programa.

Assim, o computador quântico não fica sabendo quais passos da sequência de medição fazem o quê. O computador quântico não pode dizer quais qubits foram utilizados para as entradas, quais foram utilizados para operações e quais representam os resultados.

Interface do computador quântico que a IBM disponibiliza via internet. [Imagem: IBM]

Computador quântico pela internet

Embora o proprietário do computador quântico possa tentar fazer uma engenharia reversa da sequência de medições realizadas, a ambiguidade sobre o papel de cada etapa leva a muitas interpretações possíveis sobre qual cálculo foi feito. O verdadeiro cálculo está escondido entre muitos, como uma agulha em um palheiro.

O conjunto de interpretações cresce rapidamente com o número de qubits do computador. "O conjunto de todas as computações possíveis é exponencialmente grande - essa é uma das coisas que provamos em nosso artigo - e, portanto, a chance de adivinhar a computação real é exponencialmente pequena," disse Fitzsimons.

"É extremamente emocionante. Você pode usar essa característica única do modelo de computação quântica baseado em medição - a forma como a informação flui através do estado - como uma ferramenta de criptografia para ocultar informações do servidor," disse Tommaso Demarie, outro membro da equipe.

Mas ainda há um senão na teoria: os cálculos significativos podem ser tão raros que a adivinhação poderia ser facilitada.

A equipe concorda que este é um argumento válido, e por isso eles vão se debruçar sobre essa possibilidade a seguir.

Vale lembrar que já existem computadores quânticos acessíveis pela internet e que, muito provavelmente, esta será a forma principal de acesso a essas máquinas, ao menos a médio prazo, dando ao trabalho um aspecto eminentemente prático.

Bibliografia:

Flow Ambiguity: A Path Towards Classically Driven Blind Quantum Computation
Atul Mantri, Tommaso F. Demarie, Nicolas C. Menicucci, Joseph F. Fitzsimons
Physical Review X
Vol.: 7, 031004
DOI: 10.1103/PhysRevX.7.031004

Lei da Física que imperava a 100 anos é revogada Redação do Site Inovação Tecnológica -

Lei da Física que imperava a 100 anos é revogada

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/07/2017

Ilustração de uma transferência de energia por interferência de onda e ressonância de uma fonte para outra - uma descrição do conceito fundamental de ressonância. [Imagem: EPFL - Bionanophotonic Systems Laboratory]

Lei da física revogada

Pesquisadores da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, desbancaram uma teoria que foi considerada como uma limitação fundamental da física por mais de 100 anos.

Eles conseguiram projetar sistemas ressonantes que podem armazenar ondas eletromagnéticas durante longos períodos de tempo, mantendo uma ampla largura de banda.

A quebra dessa limitação deverá ter um grande impacto em muitos campos da engenharia e da física. O número de aplicações potenciais tende ao infinito, com as telecomunicações, sistemas de detecção óptica e colheita de energia de banda larga representando apenas alguns exemplos de aplicações mais imediatas.

Fator Q

Sistemas ressonantes e de guia de ondas estão presentes na grande maioria dos sistemas ópticos e eletrônicos - para produzir lasers, fazer circuitos eletrônicos e realizar diagnósticos médicos, entre muitos outros exemplos. Seu papel é armazenar energia temporariamente na forma de ondas eletromagnéticas e, em seguida, liberá-las.

Durante mais de 100 cem anos, esses sistemas obedeceram a uma limitação que os cientistas consideravam fundamental: o tempo que uma onda pode ser armazenada seria inversamente proporcional à sua largura de banda.

Esta relação era interpretada como significando que seria impossível armazenar grandes quantidades de dados em sistemas de ressonância ou de guias de onda durante um longo período de tempo, porque aumentar a largura de banda significaria diminuir o tempo de armazenamento e a qualidade do armazenamento.

Esta "lei" foi formulada por K. S. Johnson, em 1914, que foi quem introduziu o conceito do Fator Q, segundo o qual um ressonador pode, ou armazenar energia por um longo período de tempo ou ter uma ampla largura de banda, mas não ambos ao mesmo tempo.

Até agora, esse conceito nunca havia sido desafiado. Físicos e engenheiros sempre construíram sistemas ressonantes com essa restrição em mente.

Morte do Fator Q

Mas essa limitação agora é coisa do passado. Kosmas Tsakmakidis e seus colegas construíram um sistema híbrido de ressonância e guia de onda feito de um material magneto-óptico que, quando recebe um campo magnético, é capaz de parar a onda e armazená-la por um longo tempo, acumulando assim grandes quantidades de energia. Então, quando o campo magnético é desligado, o pulso preso é liberado.

Com isto, torna-se possível armazenar uma onda por um longo período de tempo, ao mesmo tempo mantendo uma grande largura de banda. Neste experimento inicial, o limite convencional tempo/largura de banda foi superado por um fator de 1.000. A equipe demonstrou ainda que, ao menos em teoria, não existe nenhum limite superior para esses sistemas assimétricos.

"Foi um momento de revelação quando descobrimos que essas novas estruturas não apresentavam nenhuma restrição de largura de banda. Esses sistemas são diferentes daquilo com que todos estávamos acostumados por décadas e possivelmente por centenas de anos," disse Tsakmakidis.

Ilustração de como foi quebrada a "lei da física" conhecida como Fator Q. [Imagem: Kosmas Tsakmakidis et al. - 10.1126/science.aam6662]

O limite é a imaginação

Com esta nova técnica, deverá ser possível melhorar muito as telecomunicações.

Outras aplicações potenciais incluem a espectroscopia on-chip, a colheita e armazenamento de energia de banda larga, além de camuflagens ópticas - os chamados mantos da invisibilidade - muito melhores do que as atuais.

"A descoberta que descrevemos é completamente fundamental - estamos dando aos pesquisadores uma nova ferramenta. E o número de aplicações é limitado apenas pela imaginação de cada um," resumiu Tsakmakidis.

Bibliografia:

Breaking Lorentz reciprocity to overcome the time-bandwidth limit in physics and engineering
Kosmas Tsakmakidis, Linfang Shen, S. A. Schulz, X. Zheng, J. Upham, X. Deng, Hatice Altug, Alexandre F. Vakakis, Robert W. Boyd
Science
Vol.: 356, Issue 6344, pp. 1260-1264
DOI: 10.1126/science.aam6662

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Nova Tabela Periódica, com mais quatro elementos, é oficializada no Brasil Com informações da Agência Fapesp

Nova Tabela Periódica, com mais quatro elementos, é oficializada no Brasil

Com informações da Agência Fapesp -  14/07/2017

A decisão de confirmar os elementos Nihonium (Nh), Moscovium (Mc), Tennessine (Ts) e Oganesson (Og) foi uma homenagem à Sociedade Brasileira de Química.[Imagem: IUPAC]

Tabela Periódica atualizada

Os quatro novos elementos da Tabela Periódica, que receberam seus nomes no ano passado, foram ratificados no Brasil durante o 46º Congresso Mundial de Química, que está sendo realizado pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) na cidade de São Paulo.

Os elementos 113, 115, 117 e 118 receberam os nomes de Nihonium (Nh), Moscovium (Mc), Tennessine (Ts) e Oganesson (Og), respectivamente, e estão alocados na sétima fila da Tabela Periódica. Os três primeiros poderão ser aportuguesados para nirrônio, moscóvio e tenessine, mas o oganesson deverá permanecer por ser uma referência a uma pessoa.

A validação de novos elementos meses depois de serem descobertos é uma cerimônia padrão da IUPAC, porém, desta vez, a entidade deixou para fazer a ratificação no Brasil, durante a Assembleia Geral da IUPAC.

"Vejam que o país de vocês é muito afortunado, pois esta é a primeira vez na história que quatro elementos são nomeados ao mesmo tempo e a confirmação será no Brasil. Isso é o nosso presente para o 40º aniversário da Sociedade Brasileira de Química", disse Natalia Tarasova, presidente da IUPAC.

Descobrir novos elementos químicos

Descobrir, nomear e ratificar novos elementos químicos são eventos muito raros. "É um processo complicado. Antes destes quatro elementos, outro havia sido descoberto cinco anos atrás. Mas acredito que o próximo possa demorar a vir. Essa é a minha expectativa," disse Natalia.

Para ela, a necessidade de ratificar os novos elementos está na importância da descoberta e de todo o processo de nomeação e inclusão dos elementos na Tabela Periódica. "Isso acontece porque é um esforço científico muito grande. Esses grupos trabalharam por 10 ou 15 anos para encontrar novos elementos e para provar que de fato são novos elementos. Pois algumas vezes na história ocorreram erros: acreditaram se tratar de um novo elemento, mas na realidade era um isótopo," disse.

O processo para nomear novos elementos químicos tem critérios bem definidos. O direito de dar o nome pertence aos descobridores. "Eles propõem o nome e existem comitês para checar se o nome soa bem em todos os idiomas do nosso planeta, se não há erro e então a assembleia geral o aprova," disse Natalia.

Nomes dos novos elementos químicos

O elemento 113 recebeu o nome de Nihonium (Nh), proposto por cientistas do Instituto Riken, no Japão, que descobriram o novo elemento. O nome veio de Nihon, que é uma das duas maneiras de dizer Japão em japonês e que significa Terra do Sol Nascente - a outra é a forma oficial Nippon.

"Os pesquisadores que descobriram o Nihonium conseguiram obter apenas três átomos deste elemento. Em 15 anos, apenas três átomos! Você pode imaginar isso? Três átomos e esse é o novo elemento", disse Natalia.

O nome Moscovium (Mc) do elemento 115 é uma homenagem à cidade de Moscou, na Rússia, endereço do Joint Institute for Nuclear Research, onde os experimentos foram conduzidos.

O nome Tennessine (Ts) do elemento 117 reconhece a contribuição da região do Tennessee, nos Estados Unidos, incluindo a do Laboratório Nacional Oak Ridge, da Universidade Vanderbilt e da Universidade do Tennessee em Knoxville.

Por fim, na sétima linha, e em consonância com a tradição de honrar um cientista, o nome Oganesson (Og) do elemento 118 foi sugerido pela equipe de descobridores do Joint Institute for Nuclear Research (Rússia) e do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (EUA). Eles resolveram fazer uma homenagem e reconhecer o trabalho do físico nuclear Yuri Oganessian (nascido em 1933) por suas contribuições pioneiras em pesquisas no campo de síntese e estudo de novos elementos químicos.

Os quatro elementos são elementos sintéticos, não encontrados na natureza, e que só podem ser produzidos em laboratório. A existência deles é extremamente curta. Sendo altamente radioativos, eles só se mantêm estáveis por alguns segundos ou até mesmo por um mero milissegundo, o que tornou a tarefa de confirmação da existência de cada um extremamente difícil.

Sinapse artificial: Rumo à inteligência artificial em hardware Redação do Site Inovação Tecnológica

Sinapse artificial: Rumo à inteligência artificial em hardware

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/07/2017

Os engenheiros eletrônicos estão raqueando o cérebro humano em busca de construir computadores mais inteligentes.[Imagem: He Tian et al. - 10.1021/acsnano.7b03033]

Neuromorfose

Um dos maiores desafios para o desenvolvimento da inteligência artificial é entender o cérebro humano e descobrir como imitá-lo.

Um desses entendimentos acaba de ser mimetizado em um circuito eletrônico por He Tian e seus colegas das universidades Sul da Califórnia e da Flórida, nos EUA.

Eles desenvolveram uma sinapse artificial capaz de simular uma função fundamental do nosso sistema nervoso - a liberação de sinais inibitórios e excitatórios a partir do mesmo terminal "pré-sináptico".

O sistema nervoso humano é composto por mais de 100 trilhões de sinapses, estruturas que permitem que os neurônios passem sinais elétricos e químicos uns para os outros. Nos mamíferos, essas sinapses podem iniciar e inibir mensagens biológicas. Muitas sinapses apenas transmitem um tipo de sinal, enquanto outras podem transmitir ambos os tipos simultaneamente, ou podem alternar entre os dois.

A maioria das sinapses artificiais fabricadas até hoje, no entanto, - a maioria baseada nos memoristores - só é capaz de disparar um tipo de sinal.

• Por que as sinapses eletrônicas vieram para ficar

Sinapse artificial reconfigurável

Agora, He Tian criou uma sinapse artificial reconfigurável, capaz de enviar sinais excitatórios e inibitórios.

O componente sináptico reconfigura a si próprio com base nas tensões elétricas aplicadas ao seu terminal de entrada. Uma junção feita de fósforo negro e seleneto de estanho permite a alternância entre os sinais excitatórios e inibitórios.

O componente é flexível e versátil, o que é altamente desejável para a fabricação de redes neurais artificiais.

Com o componente pré-sináptico, a expectativa é que o projeto das sinapses artificiais e dos circuitos neuromórficos fique mais simples e possa incorporar mais funções, facilitando a construção da inteligência artificial em hardware.

• Transístor sináptico vai além da lógica binária

Bibliografia:

Emulating Bilingual Synaptic Response Using a Junction-Based Artificial Synaptic Device
He Tian, Xi Cao, Yujun Xie, Xiaodong Yan, Andrew Kostelec, Don DiMarzio, Cheng Chang, Li-Dong Zhao, Wei Wu, Jesse Tice, Judy J. Cha, Jing Guo, Han Wang
ACS Nano
DOI: 10.1021/acsnano.7b03033

Processador 3D de nanotubos combina computação e armazenamento Redação do Site Inovação Tecnológica

Processador 3D de nanotubos combina computação e armazenamento

Redação do Site Inovação Tecnológica -  17/07/2017

Os materiais usados permitem fabricar o processador a baixas temperaturas, viabilizando a fabricação de camadas sobre camadas. [Imagem: Max M. Shulaker et al. - 10.1038/nature22994]

Lógica e armazenamento no mesmo chip

Engenheiros da Universidade de Stanford e do MIT, nos EUA, usaram duas nanotecnologias complementares para desenvolver um processador de computador 3D que promete viabilizar uma nova geração de microeletrônicos energeticamente eficientes e capazes de processar enormes quantidades de dados.

O protótipo representa uma mudança radical em relação aos chips atuais. Em vez de usar componentes de silício, o chip usa nanotubos de carbono e células de memória de acesso aleatório resistivo (RRAM), um tipo de memória não-volátil que funciona mudando a resistência elétrica de um material sólido.

Ou seja, lógica e armazenamento são colocados no mesmo chip, o que permite eliminar a perda de tempo e o gasto de energia que os computadores atuais têm para mover os dados do processador para os pentes de memória e vice-versa.

Processador com transistores de nanotubos

O processador integra mais de 1 milhão de células de memória RRAM e 2 milhões de transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono, tornando o sistema nanoelétrico mais complexo já feito com essas nanotecnologias emergentes - várias vezes maior do que o primeiro protótipo da equipe a usar lógica e memória empilhadas para fazer um processador 3D.

As memórias RRAM e os transistores de nanotubos de carbono são construídos verticalmente uns sobre os outros, criando uma arquitetura de computador 3D inovadora e muito densa, com camadas entrelaçadas de lógica e memória. Inserindo fios entre as camadas em uma densidade muito maior do que se pode alcançar nos chips 2D planos, esta arquitetura 3D promete resolver o problema do gargalo da comunicação intrachip, que já está inibindo a inserção de mais núcleos nos processadores tradicionais.

"Os circuitos hoje são 2D porque a fabricação de transistores de silício convencionais envolve temperaturas extremamente altas, acima dos 1.000 graus Celsius. Se você tentar construir uma segunda camada de circuitos de silício por cima [da primeira], essa alta temperatura vai danificar a camada inferior de circuitos," disse o professor Max Shulaker, principal idealizador da nova arquitetura 3D.

Os circuitos de nanotubos de carbono e a memória RRAM podem ser fabricados a temperaturas muito mais baixas, abaixo dos 200º C, de forma que podem ser fabricados em camadas sem prejudicar os circuitos abaixo, fabricados anteriormente.

Ilustração do processo de fabricação sequencial do processador 3D. [Imagem: Max M. Shulaker et al. - 10.1038/nature22994]

10 vezes melhor

De acordo com a equipe, a nova arquitetura oferece vários benefícios simultâneos para os futuros sistemas de computação.

"Os dispositivos são melhores: a lógica feita com nanotubos de carbono pode ser uma ordem de grandeza [10 vezes] mais eficiente em termos de energia em comparação com a lógica de hoje feita a partir do silício; e, da mesma forma, a RRAM pode ser mais densa, mais rápida e mais energeticamente eficiente em comparação com a DRAM," disse o professor Philip Wong.

A equipe pretende agora iniciar uma parceria com uma fábrica de semicondutores para começar a desenvolver o processo em escala industrial.

Bibliografia:

Three-dimensional integration of nanotechnologies for computing and data storage on a single chip
Max M. Shulaker, Gage Hills, Rebecca S. Park, Roger T. Howe, Krishna Saraswat, H.-S. Philip Wong, Subhasish Mitra
Nature
Vol.: 10.1038/nature22994
DOI: 547, 74-78