Polyteck | Edição 03

CIDADES

DO FUTURO pág. 9

Distribuição Gratuita nº 03 | dezembro 2013 Biotecnologia Empreendedorismo e Inovação Web e Design Sustentabilidade e Ambiente facebook.com/Polyteck | www.polyteck.com.br |1 Engenharia, Energia e Materiais Nanotecnologia

Laboratório portátil

Antes parte da ficção, os tricorders de Star Trek estão cada vez mais próximos da realidade... e do seu bolso.

A criação dos smartphones foi uma revolução no mundo da telefonia celular que literalmente conquistou o mundo. Todos os dias surgem aplicativos com as mais variadas funções, desde chats interativos, editores de imagem, aplicativos fitness até aplicativos que transforam seu smartphone em Geigers de bolso (veja “A crise ainda não acabou” – Polyteck 2ª Edição).

Agora, que tal ter um smartphone que você possa levar ao mercado, posicionar sobre frutas e verduras e em poucos segundos saber se estão maduros ou não? Ou talvez monitorar os níveis de açúcar no sangue de pessoas portadoras de diabetes? Ou sendo ainda mais ousado: e seu o seu smartphone pudesse ser usado como dispositivo de segurança, detectando níveis de gases tóxicos no ar? Parece algo saído da série de ficção Star Trek, e é.

Pesquisadores da Technische Universität Dresden e do Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Techonology, na Alemanha, desenvolveram uma tecnologia capaz de realizar este tipo de leitura. Eles criaram um espectrômetro em miniatura pioneiro, baseado em nano-antenas, pequenas o suficiente para caberem em um celular.

fluorescência, etc.

A possibilidade de transformar um smartphone em um monitor portátil não é uma ideia nova, mas o tamanho dos dispositivos era um grande empecilho. Pensando em termos de tecnologia convencional, mesmo que pudéssemos encolher um espectrômetro o máximo possível, ele ficaria longe de caber em um smartphone. Porém, os cientistas alemães utilizaram tecnologia de filmes finos compatível com o tamanho de um celular para produção em massa. A técnica envolve nano-fios que funcionam

Nano-antenas

Um espectrômetro é um instrumento óptico capaz de analisar as propriedades da luz emitida em uma faixa específica do espectro eletromagnético. Num espectrômetro a luz incide sobre uma abertura e é dividida em feixes monocromáticos através de uma rede de difração. Estes feixes incidem sobre sensores fotovoltaicos, que medem a intensidade luminosa de cada comprimento de onda contido no feixe incidente. Com isso é possível caracterizar diferentes materiais a partir das suas propriedades ópticas, tais como absorção,

Nano-antenas de ouro de aproximadamente 100 nm de comprimento e 30 nm de diâmetro. Estas hastes absorvem luz visível, filtram os fótons e por fim concentram e amplificam determinados comprimentos de onda através de ressonância plasmônica.

Foto: Instituto Fraunhofer

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Na imagem ao lado, retirada da série de ficção científica Star Trek (conhecida no Brasil como Jornada nas Estrelas), Spock carrega um tricorder em uma missão avançada a algum planeta longínquo. Na série, o equipamento é utilizado para uma série de medidas, desde monitoramento médico, pelo Dr. MacCoy, até análise da composição da atmosfera de um planeta, paredes, rochas, naves e qualquer outro material que os personagens julguem necessário reconhecer.

Ficção na década de 60, quando Star Trek foi lançada, hoje os tricorders estão cada vez mais próximos de se tornarem realidade.

como nano-antenas que absorvem, amplificam e redirecionam o feixe de luz para o detector: um chip CCD/CMOS que carrega o arranjo de antenas. Isso possibilita reduzir o tamanho do instrumento a uma escala nunca vista antes, limitado apenas pelo tamanho do chip CCD/CMOS. A sensibilidade do instrumento depende do comprimento, diâmetro, material das antenas, além da distância de acoplamento entre antenas individuais. Assim, pode-se ajustar o conjunto para a detecção de determinados comprimentos de onda ou faixas de comprimento de onda. Pode-se, com apenas um arranjo de antenas de nano-fios de dimensões diferentes, ou seja, com frequências de ressonância diferentes, varrer uma vasta região do espectro eletromagnético. As antenas funcionam, simultaneamente, como amplificador óptico, colimador e filtro óptico.

Outro detalhe que chama a atenção no projeto é o fato de que nenhuma Allforlab.pdf

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parte móvel é necessária para que o dispositivo funcione plenamente. Isso diminui significativamente a possibilidade de falhas, defeitos ou imprevistos durante a utilização do mini espectrômetro.

Desafios

O objetivo principal do projeto nanoSPECS, que começou em agosto de 2013 e deve ter duração de três anos, é manufaturar os arranjos de antenas gradeadas de 20 cm. O IAPP desenvolveu um processo em escala de laboratório que obteve sucesso em criar as nano-antenas de ouro ou prata. Contudo, o desafio é crescer uma camada de alumínio precursora para que a matriz de óxido de alumínio ofereça uma espessura precisa, reprodutível e homogênea. Neste estágio, a Frauhofer FED irá aplicar a sua experiência na produção de deposições precisas por sputtering (pulverização catódica). Este processo garante deposição de filmes finos de alta

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qualidade, o que é fundamental para o que os mini espectrômetros se enquadrem no mercado para produção em massa.

O projeto ainda está em seus estágios preliminares mas, caso a equipe obtenha sucesso, dentro de alguns anos você poderá ter seu próprio espectrômetro, capaz de ajudar a escolher a melhor laranja da feira. Espera-se que até lá as os cientistas também trabalhem para melhorar as baterias dos dispositivos móveis, afinal já imaginou o Spock ou o Dr. MacCoy ficando sem bateria durante uma expedição avançada? e Este artigo foi escrito com base em: »» Das Analyselabor zum Mitnehmen MiniSpektrometer im Mobiltelefon, FraunhofferInstitut für Elektronenstrahl - und Plasmatchnik FEP »» Dexter Johnson, IEEE Spectrum, 11/11/2013

O robô que

“come” urina Em busca de um robô totalmente autônomo, cientistas criam célula combustível que transforma urina em eletricidade.

As áreas com altos níveis radiação, zonas de conflito ou regiões muito frias impõem muitos perigos para humanos. Em busca de monitoramento seguro nestes locais, vários governos e empresas realizam investimentos pesados em dispositivos autônomos capazes de se locomover, tirar fotos, realizar medidas e experimentos e enviar todas essas informações para as centrais de controle.

Tudo isso por longos períodos e com o mínimo possível de intervenção humana. Isso é fundamental para uma série de missões e tarefas que garantem acesso a áreas remotas ou perigosas do globo.

Até agora, o comportamento autônomo dos robôs era visto como um desafio computacional, já que os mesmos devem ser programados com habilidades de processamento que permitam seleção e tomada de decisões. No entanto, muitos trabalhos têm sugerido que a autonomia verdadeira só será alcançada quando houver auto-sustentação energética: os robôs devem ser capazes de coletar material do próprio ambiente em monitoramento para garantir seu funcionamento.

Cientistas do Bristol Research Laboratory, na Inglaterra, desenvolveram um robô cuja fonte primária de energia são rejeitos e dejetos como urina humana. Eles seriam capazes de recolher material orgânico do ambiente e transformá-lo em energia elétrica, funcionando de maneira verdadeiramente autônoma em ambientes remotos. Além disso, procurando soluções cada vez mais inteligentes,

os pesquisadores criaram uma bomba a partir do modelo do coração humano, capaz de bombear urina para dentro da “sala de máquinas” de robôs, chamados de EcoBots.

Transformando urina e outros dejetos em energia elétrica

Um dos pontos principais do projeto é transformar matéria orgânica disponível no ambiente de trabalho do robô em algo muito útil: energia elétrica. Nos últimos dez anos, quatro gerações de EcoBots foram criadas, todas alimentadas com energia elétrica proveniente de frutas e verduras podres, água descartada, urina humana e até moscas mortas! Este trabalho de conversão é feito por células combustível microbianas (CCMs).

Uma célula combustível nada mais é do que uma célula eletroquímica que converte a energia química de um combustível em energia elétrica. Ela funciona consumindo um agente redutor e um agente oxidante, que são repostos continuamente – diferente de pilhas ou baterias. Além disso, são altamente eficientes e pouco poluentes.

No caso da CCM, há microrganismos dentro da célula. Elas consistem em duas meias-células: o ânodo, que contém as bactérias e fornece elétrons, e o cátodo, que é o lado oxidante. Os dois são separados por uma membrana seletiva de prótons (PEM).

Os microorganismos na câmara anódica podem estar suspensos em solução líquida ou em forma

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Como funciona o Ecobot?

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A energia produzida pelas CCM permitem que o Ecobot III se desloque sobre um trilho para chegar aos seus fornecedores de água e “alimento”, além de fazer funcionar suas diferentes bombas e instrumentos de medida.

A água e as matérias orgânicas (o alimento) são captadas pela “boca” do Ecobot III.

Estômago artificial

Bombas

2 Bombas

Elas (água + matérias orgânicas) são bombeadas para o sistema de distribuição.

Sistema de distribuição

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Após 24 horas o “alimento” é armazenado no “estomago” no fundo do qual se depositam as partículas mais pesadas.

CCMs

Reservatório de água e matéria orgânica

3 A primeira fileira de Células de Combustível Microbiano (CCM) é preenchida e posteriormente a segunda também é preenchida.

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4 4) A água e o “alimento” são reinjetados no sistema e repetem este ciclo múltiplas vezes.

Bomba peristáltica

6 A foto ao lado mostra o EcoBot III. Projetado para funcionar de maneira autônoma, ele utiliza urina como fonte de energia. Isso é possível através das células combustível microbianas, que na imagem aparecem em laranja. Dentro das células, bactérias transformam a energia química da matéria orgânica em energia elétrica

A bomba peristáltica purga estes dejetos que são então eliminados do robô.

Diagrama: Ioannis Ieropoulos, Bristol Robotics Laboratory, Universidades de Bristol e West of Engand

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de um biofilme (fixados à superfície do eletrodo). Eles alimentam-se de matéria orgânica – neste caso urina – e, como resultado da digestão, transferem elétrons para o eletrodo através de metabólitos eletroativos naturais ou condução direta por nanofios.

Até o presente momento, os cientistas já conseguem energia o suficiente para ligar um telefone celular.

Bombas inteligentes

Até agora bombas alimentadas por um motor convencional são utilizadas para bombear combustível (como urina e dejetos) de reservatórios às câmaras anódicas dos EcoBots e fornecer água limpa para hidratar os eletrodos das células combustível. A grande reviravolta no projeto seria substituir motores elétricos, pneumáticos ou hidráulicos, que são complexos e sujeitos a uma série defeitos, por “materiais inteligentes”.

Nesta linha, os pesquisadores desenvolveram uma bomba artificial inspirada nos princípios físicos de funcionamento do coração humano. O coração é um dos mecanismos mais elegantes

da natureza, e é motivo de fascinação e curiosidade tanto na área científica como artística. O desenvolvimento de corações artificiais e dispositivos que auxiliam o funcionamento do coração de pacientes que sofrem de doenças cardíacas já é o alvo de pesquisas em engenharia e medicina durante várias décadas. Contudo, desta vez o modelo foi utilizado não para criar próteses para seres humanos ou animais, mas sim para desenvolver uma bomba inteligente para gerações futuras de EcoBots energeticamente autônomos. Segundo Peter Walters, principal autor do estudo, o modelo escolhido possui fibras artificiais que realizam o bombeamento e é mais simples do que uma bomba convencional movida por motor elétrico.

O dispositivo tem 24,5 ml de capacidade e foi construído com “músculos artificiais” feitos de materiais com memória mecânica, que após deformados, voltam ao seu formato original.

Quando aquecidos por uma corrente elétrica, os músculos artificiais comprimem uma região flexível no centro na bomba, fazendo com que o fluido seja

ejetado pela saída e bombeado até as células combustível de um EcoBot. Para que a bomba relaxe e retorne ao seu formato original, puxando o líquido de um reservatório para o próximo ciclo, basta remover a corrente elétrica e aguardar o resfriamento dos músculos artificiais .

Um conjunto de 24 destas células combustível alimentadas com urina foi capaz de gerar energia o suficiente para carregar um capacitor. Essa energia armazenada foi suficiente para começar outro ciclo. No futuro a equipe de pesquisa pretende melhorar a eficiência do dispositivo e investigar como ele pode ser incorporado nas próximas gerações de EcoBots. e Fontes: »» Peter Walters et. al, Bioinspir. Biomim. 8 (2013) 046012 (14pp) »» Ioannis Ieropoulos et. al, Proc. of the Alife XII Conference, Odense, Denmark, 2010 Agradecemos ao professor Cyro K. Saul, do Departamento de Física da UFPR, pela adaptação do digrama.

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Gasolina

microbiana

Bactérias geneticamente modificadas transformam glicose em gasolina.

A indústria de energia tem demonstrado cada vez mais interesse na produção de combustíveis sustentáveis. A utilização de álcoois de cadeia curta, como o etanol, foi vista como um grande avanço no uso de combustíveis alternativos aos derivados de petróleo. O problema é que o álcool não possui a mesma eficiência energética da gasolina. Logo para muitas aplicações ainda existe uma dependência muito forte nos combustíveis fósseis.

Pesquisadores do Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) utilizaram cepas de Escherichia coli para a produção de um dos combustíveis mais importantes para a demanda de transportes: a gasolina. As bactérias foram capazes de produzir alcanos de cadeia curta, ácidos graxos, ésteres e álcoois. Para isto os pesquisadores, num trabalho de bioengenharia, deletaram alguns genes das bactérias para melhorar a biossíntese de ácidos graxos e evitar a oxidação das moléculas produzidas.

Gasolina bacteriana

A gasolina é um combustível líquido, utilizado principalmente em motores de combustão interna, que consiste em uma mistura de hidrocarbonetos

de cadeia curta (entre 4 e 12 carbonos).

Hidrocarbonetos produzidos a partir de culturas bacterianas, tais como alcanos ou alcenos, são muito interessantes devido ao seu potencial para serem utilizados como biocombustíveis avançados.

Estes hidrocarbonetos são semelhante aos combustíveis à base de petróleo e são superiores a outros biocombustíveis em muitos aspectos, incluindo a grande quantidade de energia que liberam ao serem queimados. Eles têm, por exemplo, um poder combustível 30 % maior do que o etanol.

Os pesquisadores do KAIST

Estratégia para a produção de alcanos de cadeia curta (ACCs).

Glucose é convertida em ACCs, ésteres graxos e álcoois graxos. Os genes FadR e fadE foram excluídos das bactérias e estão marcados com X no diagrama.

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relataram o desenvolvimento de cepas de E. coli capazes de produzir alcanos de cadeia curta adequados para uso como gasolina. Uma nova rota biosintética envolvendo a alteração de genes em E. coli foi empregada de modo que as bactérias passaram a produzir enzimas capazes de produzir alcanos de cadeia curta através de um processo de fermentação. Isso só foi possível a partir do estabelecimento das rotas metabólicas da produção de ácidos graxos por E. coli e das rotas de degradação a partir do uso de tioesterases modificadas.

A fermentação foi realizada a 30 °C e o pH foi ajustado para 6,8 através da injeção automática de hidróxido de amônia 25% (v/v). Os pesquisadores utilizaram octanol como solvente para recuperar totalmente os hidrocarbonetos voláteis produzidos. As bactérias geneticamente modificadas produziram 580,8 mg/l de alcanos de cadeia curta que consistiam em: nonano, dodecano, tridecano, 2-metil-dodecano e tetradecano, juntamente com pequenas quantidades de outros hidrocarbonetos.

Além da gasolina, os pesquisadores afirmam que é possível produzir alcanos de cadeia longa, adequados para motores diesel, utilizando a mesma plataforma em conjunto com tioesterases não modificadas. Segundo eles, o trabalho pode servir como um trampolim para o estabelecimento de novos bioprocessos para a produção de produtos químicos derivados de ácidos graxos de cadeia curta e, quem sabe, aposentar os derivados do petróleo num futuro próximo. e Artigo escrito com base em: »»Yong J. Choi e Sang Y. Lee, Nature 502, 571–574 (2013)

CIDADES

DO FUTURO

Engenheiros, arquitetos e urbanistas concordam: as cidades do futuro serão mais parecidas com as do passado.

Existe um consenso de que o modelo de mobilidade urbana baseado no automóvel está tornando-se impraticável. Como solução para este problema, já foram sugeridos: um maior uso do transporte coletivo em detrimento do individual, a criação de mais infraestrutura e segurança para ciclistas poderem se locomover até o trabalho, ou ainda o compartilhamento de carros e a prática de carona. Porém, alguns arquitetos, engenheiros e urbanistas perceberam que a solução para o problema da mobilidade urbana pode não residir apenas na reformulação dos meios de transporte atuais ou na adoção de novos modelos. Eles acreditam que o problema está na maneira como as cidades estão organizadas, por isso estão repensando o modelo atual para criar diretrizes e construir as cidades do futuro.

Como é uma cidade do futuro?

Ao imaginar uma cidade do futuro, os pesquisadores observam o passado. Tomam como base as cidades humano-cêntricas que foram organizadas antes do advento do automóvel. Nestas antigas pequenas cidades, a vizinhança se conhecia e andava na rua sem medo. Os moradores podiam trabalhar, fazer compras e estudar a uma pequena distância das suas casas As cidades do futuro consistem em uma rede de células compactas, ou pequenos bairros que se assemelham muito a estas cidades antigas. Estes bairros oferecem quase tudo que as pessoas precisam

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no curso de suas vidas diárias. Os espaços públicos das cidades do futuro fazem com que as pessoas se relacionem e se conheçam. A tecnologia é utilizada para maximizar a qualidade de vida e minimizar o consumo de recursos. As células estão ligadas à infraestrutura urbana do restante da cidade através de transportes públicos e veículos compartilhados.

Pesquisas em andamento

Pesquisadores do MIT Media Lab estão trabalhando em conjunto com o SA+P’s new Center for Advanced Urbanism, concentrando-se no planejamento, projeto, construção e adaptação de ambientes urbanos para o século 21. Um exemplo de solução desenvolvida pelo grupo é o CityCar, um

Pedra Branca, um bairro localizado “ no município de Palhoça, em Santa

Catarina, é um exemplo concreto de uma célula destas cidades do futuro.” veículo elétrico dobrável de dois lugares que pode deslizar para o lado numa vaga de estacionamento.

Desenvolvido no Media Lab, o carro já é comercializado na Espanha sob a marca Hiriko. A German Railways está planejando adquirir uma frota deles para criar uma rede de compartilhamento de carros com bases nas suas estações. Os pesquisadores estão trabalhando em uma nova versão do CityCar, agora sem motorista. Este veículo funciona de forma autônoma e pode pegar e deixar os passageiros em seus pontos escolhidos, além de estacionar e recarregar as suas baterias sem assistência humana.

Para entender melhor a complexa interação entre o desenho urbano e a tecnologia, os pesquisadores do MIT também estão desenvolvendo o Cityscope, uma ferramenta que usa projetores de vídeo HD e mapeamento 3D para visualizar uma ampla gama de interações urbanas, projetando-as em modelos físicos. Uma das aplicações do Cityscope é o estudo do impacto do compartilhamento de bicicletas, bicicletas elétricas, CityCars elétricos e sistemas de ônibus sobre demanda para uma nova cidade na Austrália e também no centro histórico de Quito, Equador.

Na área de habitação, estão sendo desenvolvidos micro-apartamentos urbanos que permitem que um pequeno espaço tenha as funcionalidades de uma unidade com duas a três vezes o seu tamanho.

O grupo agora está trabalhando em um protótipo de 24 metros quadrados que pode acomodar uma cozinha totalmente equipada, sala de jantar para dez pessoas, closet, uma cama king-size, lavanderia e um banheiro acessível para deficientes . É claro que nem todas as funções estão disponíveis ao mesmo tempo.

Outro exemplo são os sistemas de agricultura urbana, que dão aos moradores da cidade a oportunidade de cultivar a sua própria produção orgânica utilizando sistemas aeropônicos. Na agricultura aeropônica, as raízes das plantas crescem em câmaras que contém uma névoa fina de água e nutrientes, tornando mais simples o cultivo de alimentos em casa. Testes já mostraram que vegetais populares, como alface e tomates são mais produtivos em sistemas aeropônicos do que no solo.

Os CityCars são veículos elétricos que, além de dobráveis, podem deslizar lateralmente para estacionar em uma vaga.

Como parte de um projeto para adaptação de ambientes urbanos, o carro já é comercializado na Espanha e a German Railways também planeja adquirir uma frota para criar uma rede de compartilhamento de carros. O próximo passo do projeto é desenvolver uma versão que não necessite de motorista.

Foto: MIT SA+P

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Cidades inteligentes no Brasil

A Cidade Sustentável Pedra Branca, um bairro localizado no município de Palhoça, em Santa Catarina, é um exemplo concreto de uma célula destas cidades do futuro. Dentro deste bairro, o morador encontra infraestrutura de cidade, rodeado de áreas verdes. É um local onde as pessoas podem morar, trabalhar, estudar e se divertir ao alcance de uma caminhada. Este “bairro-cidade” foge do conceito de condomínio fechado, criando uma comunidade voltada ao pedestre e à preservação da natureza. O projeto da cidade conta com a participação direta de quase 100 profissionais das áreas de arquitetura, urbanismo e engenharia.

O planejamento, totalmente baseado em sustentabilidade em termos de construção civil, paisagismo e de preservação ambiental, inclui captação de água da chuva, aquecimento por energia solar, reuso de água, gerenciamento dos resíduos, iluminação pública com LEDs e instalação de gás natural em todo o bairro. O projeto urbanístico da Cidade TKS_com sangria.pdf

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26/11/13

8:24 PM

Sustentável Pedra Branca busca densidade equilibrada, conectividade e sintonia com o ambiente natural.

Edifícios verdes

Alguns edifícios de Pedra Branca receberam do U.S. Green Building Council (USGBC) a pré-certificação LEED (Leadership in Energy and Environmental Design). O LEED é um sistema de certificação reconhecido internacionalmente e que incentiva a implantação de estratégias de alta performance ambiental e eficiência energética de projetos e construções de edifícios.

Para a emissão do certificado, sete categorias são avaliadas, entre elas o uso racional da água, eficiência energética, inovação e prioridade regional. Os edifícios certificados possuem custos operacionais mais baixos, além de reduzir os resíduos enviados para aterros durante a construção. São utilizados sistemas de ar condicionado de alto desempenho e filtragem mais restritiva, iluminação eficiente, automação predial e vidros de alto desempenho. Também foram

utilizadas placas fotovoltaicas na cobertura, vasos de duplo fluxo, mictórios e torneiras eficientes.

Na área de certificações verdes, o Brasil só perde para os Estados Unidos, a China e os Emirados Árabes Unidos em número de edifícios detentores do LEED, o selo americano de construção sustentável mais conhecido no mundo, hoje presente em 143 países. Com 82 empreendimentos certificados e 620 em processo de obtenção do selo, o Brasil deverá chegar ao terceiro lugar até o fim do ano, segundo dados do Conselho de Construção Sustentável do Brasil (GBC Brasil). e Artigo escrito com base no trabalhos: »» Plan 85, MIT School of Architecture + Planning, setembro de 2013, http://bit.ly/195WC8T »»Assessoria de imprensa da Cidade Sustentável Pedra Branca, http://bit.ly/1cNYZPZ

O nosso blog tem conteúdo complementar. Lá você encontra fotos, vídeos e informações extras sobre o artigo. www.polyteck.com.br

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Como substituir

um viaduto em 8 horas Técnica consiste em construir um novo viaduto ao lado do antigo sem obstruir ou desviar o tráfego, para então deslizá-lo até a posição correta.

Apesar dos benefícios que podem trazer, obras em ruas e rodovias podem se tornar muito irritantes. Durante o processo tornam o trânsito lento, geram engarrafamentos e podem até causar acidentes. Quando se trata de obras em uma ponte ou viaduto, a questão pode se tornar ainda mais delicada. Contudo, utilizando uma técnica revolucionária que economiza dinheiro, tempo e prazos, engenheiros nos EUA conseguiram substituir um viaduto velho por um novinho em folha no corredor I-84, que conecta os estados de Nova Iorque e Connecticut, em apenas oito horas!

A técnica, conhecida como Construção Acelerada de Pontes (ABC, no inglês), consiste em construir estruturas de suporte ao redor da ponte já existente, sobre as quais a nova ponte é construída. Assim, quando a nova estrutura está pronta, a antiga pode ser demolida ao mesmo tempo em que a nova é deslizada para seu lugar sobre seus novos suportes. A técnica já foi utilizada em várias pontes menores, mas

é a primeira vez que é usada numa área com tanto tráfego.

A construção começou no final do ano passado e, enquanto as novas estruturas eram construídas ao lado da ponte original, os componentes pré-fabricados eram enviados de navio ao local. Uma das estruturas foi construída em meio às pontes leste e oeste, e a outra ao norte da ponte oeste. Enquanto isso, uma nova estrutura era construída embaixo das pontes já existentes, por onde passam mais de 100 000 carros todos os dias.

Tudo isso sem que houvesse efeito no trânsito. Às cinco da tarde do dia 21 de setembro, o Departamento de Trânsito fechou a I-84 e a demolição da ponte oeste começou. A equipe levou quatro horas para terminar o processo, e então a nova ponte começou a ser deslizada para seu lugar de destino. Quatro guindastes de 100 toneladas começaram a empurrar as novas placas da rodovia, cada uma apoiada sobre uma “esteira” com uma superfície de teflon que desliza sobre

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as placas de aço inoxidável. Porém, os guindastes só conseguem empurrar as placas cerca de 76 cm. Ao terminar de empurrar a equipe tem que mover os guindastes para poder empurrar um pouco mais. A operação durou cerca de oito horas e, segundo Bala Sivakumar, diretor do projeto, poderia ter sido ainda mais rápida caso não estivesse chovendo tanto.

O último passo foi erguer as conexões da estrada nos dois lados da ponte para igualar a altura e comprimento da nova estrutura. Para isso, um verdadeiro exército de caminhões de asfalto, rolos compressores e operários trabalhou para construir os espaços que faltavam de maneira forte o suficiente para suportar o peso dos milhares de veículos que por ali devem passar nos próximos anos. No dia seguinte, à uma da tarde, a estrada já estava aberta novamente. e Baseado em: »» Damon Lavrinc, Wired, 18/10/2013

Deficiente precisa

andar? por Leonardo Rodrigues da Silva, Mestre em Eng. Biomédica

Mais de 50.000 pessoas sofrem lesão medular todos os anos, mas mesmo assim a deficiência ainda é um tabu na sociedade. Quem não está acostumado a conviver com este tipo de situação pode pensar, em uma primeira análise, que o maior problema enfrentado é a incapacidade de caminhar com as suas próprias pernas. Logicamente, este é um problema que os lesados medulares têm em seu dia a dia, mas não é o único e nem o mais importante. A medula espinhal é uma continuação do cérebro (não confundir com a medula óssea) e tem como função fazer a comunicação deste órgão com o resto do corpo. Isso é possível através de um feixe de neurônios que passa as informações para o corpo e devolve as sensações captadas, enviando-as para o cérebro.

Quem sofreu lesão na medula tem esta comunicação entre o cérebro e o corpo interrompida, perdendo o controle da musculatura e sensações abaixo do local onde a coluna foi comprometida. As principais sensações afetadas são o toque, a temperatura e a dor.

As novidades

Estímulos elétricos ajudam pacientes a recuperar o controle da bexiga, intestino e funções sexuais além do movimento das pernas.

A neurocientista Susan Harkema da Univesidade de Louisville, no Kentucky, EUA, e sua equipe utilizaram uma nova perspectiva para abordar esta questão. Eles trabalharam com eletrodos implantados diretamente na medula abaixo do nível da lesão, inicialmente em cobaias e posteriormente em humanos. A equipe de Hardema utilizou um neuroestimulador feito pela empresa Medtronic, de Minneapolis, que já é aprovado pelo FDA (órgão regulador dos EUA) para tratamento da dor. O sistema utiliza uma matriz de 16 eletrodos que são implantados cirurgicamente no espaço epidural, ao lado da camada de proteção exterior da medula. A matriz é então conectada a um gerador de impulsos (que se assemelha a um marca-passo) que está implantado próximo. Por fim, o gerador de impulsos recebe um sinal sem fios de um dispositivo de programação de fora do corpo.

Cada um dos 16 eletrodos da matriz pode ser configurado para atuar como um cátodo ou um ânodo, ou ainda ser completamente desligado. Intensidades de estimulação podem variar de 0 a 10,5 V com pulsos enviados em frequências que variam de 2 a 100 Hz, embora os pesquisadores geralmente não passem de 45 Hz. Escolher a combinação certa de eletrodos e os parâmetros de estimulação para gerar uma resposta simples em um único músculo é relativamente simples.

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dos movimentos e sensações, perdem também quase todo o controle destas funções fisiológicas, que são comandadas principalmente pela região sacra da medula.

Medula inteligente

Dispositivo implantado: Esse raio-X de um dos pacientes da Dra. Harkema mostra uma matriz de eletrodos implantada próximo da medula espinhal e o gerador de pulsos logo abaixo.

Foto: Susan Harkema/The Lancet/Elsevier

Contudo, gerar um comportamento complexo como o de colocar a pessoa na posição ortostática (em pé), que envolve muitos grupos musculares e uma quantidade considerável de feedback sensorial, é muito mais difícil. Escolher as configurações corretas para cada eletrodo exige uma quantidade enorme de intuição e muita tentativa e erro. “Esse é o desafio: criar o campo elétrico que vai gerar o comportamento desejado”, diz Harkema.

No primeiro dia de testes com um dos pacientes, os pesquisadores colocaram 14 sensores de eletromiografia (EMG) para medir a atividade elétrica dos músculos e verificar as respostas à estimulação. Harkema estabeleceu as configurações dos eletrodos e instruiu sua equipe para definir a frequência da pulsação a 30 Hz e a intensidade inicial de 1 V, com uma rampa de subida de um décimo de volt de cada vez. O lado esquerdo respondeu e, quando a estimulação atingiu 1,5 V, o paciente suportou seu peso sobre a perna esquerda sem assistência por cerca de 30 segundos.

Novas perspectivas

Normalmente, quando os pesquisadores procuram novas soluções para tratar estas questões, começam pelo que está mais evidente: o movimento das pernas. Não foi diferente para a equipe da Dra. Harkema. Porém, eles também notaram que os voluntários passaram a ter um melhor controle da bexiga, intestino e funções sexuais, mesmo depois dos eletrodos desligados. Assim, a pesquisa trouxe novas perspectivas para a vida de pessoas paraplégicas e tetraplégicas que, junto com a perda

Uma das bases desta pesquisa é o fato de que a medula tem a sua própria inteligência. Esta teoria indica que o cérebro manda comandos de alto nível para o corpo, e a sequência de movimentos finos para executar cada atividade é coordenada diretamente pela medula. Na pesquisa da Dra. Harkema tenta-se reproduzir estes comandos que, inicialmente, viriam do cérebro, estimulando diretamente a medula abaixo do ponto de interrupção pela lesão. O problema é que para cada eletrodo implantado na medula, existem cerca de 43 milhões de possibilidades de estimulação, variando as frequências e tensões aplicadas, além da variação da posição dos eletrodos para alcançar os neurônios responsáveis pela parte do corpo a ser trabalhada.

Para melhor compreensão do funcionamento do sistema, inicialmente a enervação que comanda a contração das musculaturas das pernas foi trabalhada. Assim sistemas de EMG (eletromiografia) podem ser utilizados para verificar o resultado de cada estímulo aplicado na medula, mapeando as formas de estimulação para a execução de cada atividade. Estes testes, aliados ao conhecimento dos pesquisadores, propiciaram que pacientes ficassem em pé em situações controladas.

Porém os benefícios para as suas vidas foram ainda maiores.

Yu-Chong Tai, engenheiro eletricista e mecânico da Caltech (California Institute of Technology) já está testando em ratos uma matriz de 2 cm de comprimento com 27 eletrodos. A versão final para humanos deverá ter cerca de 5 cm e uma matriz contendo centenas de eletrodos. Obviamente, mais eletrodos aumentam exponencialmente as opções de configuração. “Se tivermos mais eletrodos, precisaremos de um algoritmo inteligente” disse Tai.

Corpo harmonizado

O ser humano é um sistema complexo onde todas as partes estão interligadas e precisam trabalhar em harmonia: qualquer alteração neste entrosamento compromete outras funções.

Os lesados medulares tiveram que estabelecer novas formas de harmonizar seu corpo. Numa conversa com Helder Jr., tetraplégico brasileiro, sobre os objetivos da pesquisa da Dra. Harkema com o foco na recuperação das funções fisiológicas ou mesmo apenas buscar a capacidade de andar novamente, a resposta foi: “E precisa mais alguma coisa além de recuperar o controle da bexiga, do intestino e da função sexual?” e Artigo escrito com base em: »» Emily Waltz, IEEE Spectrum, 24/10/2013

Leonardo Rodrigues da Silva é Mestre em Eng. Biomédica e CEO na BioSmart, uma empresa especializada na pesquisa e desenvolvimento de equipamentos para reabilitação física e no treinamento de atletas. A BioSmart atua especificamente nas áreas de leitura de movimentos e eletroestimulação neuromuscular.

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Nanomedicina

diagnóstica

Biomarcadores sintéticos podem detectar trombose em estágios iniciais através de exames não invasivos.

A análise de urina tem uma vasta história clínica como ferramenta para vigilância da saúde e é um componente integral de um exame médico.

Mais de 100 testes podem ser realizados através da urina para indicar condições tão diversas como a gravidez, diabetes, doenças renais e distúrbios metabólicos. Recentemente, a descoberta de analitos urinários de grande raio hidrodinâmico, que imaginava-se estarem presentes principalmente no sangue, ampliou o repertório de diagnósticos possíveis para incluir biomarcadores urinários contra doenças como o câncer de mama e do cérebro.

Pesquisadores das áreas de engenharia química, engenharia biomédica, engenharia elétrica e ciência da computação do MIT e da universidade de Minnesota uniram esforços para criar um método de detecção de coágulos de sangue através de um exame de urina. A formação de coágulos obstrutivos, ou trombose, é uma condição de risco de vida associada com doenças tais como a aterosclerose e acidente vascular cerebral. Os pesquisadores utilizaram o fato de que uma proteína, chamada trombina, desempenha um papel crítico na formação destes coágulos para desenvolver biomarcadores sintéticos que podem ser manipulados para detectar doenças vasculares. Foram desenvolvidas nanopartículas que vasculham o sistema circulatório à procura de trombos e, em resposta à atividade da trombina, liberam peptídeos repórteres que são acumulados na urina.

Inspiradas na fisiologia do sistema renal, uma classe de nanopartículas sensíveis à protease chamada de biomarcadores sintéticos já havia sido

desenvolvida nos últimos anos. Estas nanopartículas liberam peptídeos repórteres na circulação em resposta a uma atividade desregulada da protease nos locais de doença. Estes peptídeos concentram-se na urina e podem então ser monitorados de forma não invasiva com um simples exame de urina. Este método permite, por exemplo, detectar tumores em estados muito mais precoces em comparação ao que seria possível através da detecção de biomarcadores naturais secretados pelo câncer.

O desenvolvimento de uma “ classe de nanopartículas, chamadas biomarcadores sintéticos, foi inspirado na fisiologia do sistema renal” Os biomarcadores sintéticos para a trombose foram criados a partir da modificação da superfície de nanoworms (NW) de óxido de ferro com peptídeos repórter cliváveis por trombina e detectáveis por ELISA. Os pesquisadores escolheram utilizar estes nanoworms devido ao seu grande diâmetro hidrodinâmico, aproximadamente 40 nm, que impede que os peptídeos conjugados em sua superfície sejam filtrados diretamente para a urina. Para construir um repórter sintético, os pesquisadores modificaram um peptídeo resistente à protease, que foi selecionado por sua alta eficiência na filtração renal.

Estes peptídeos foram estendidos com glicina e

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ligados a uma cisteína C-terminal para permitir o acoplamento com os NWs através de uma via química sulfidrilo.

Indução de embolia pulmonar para experimentação in vivo

Os pesquisadores investigaram a capacidade de detecção de trombose dos biomarcadores sintéticos através da administração intravenosa de tromboplastina em camundongos. A tromboplastina desencadeia uma cascata de coagulação que sintetiza a condição clínica de embolia pulmonar (EP). Para quantificar a formação de EP, também foi injetado o fibrinogênio precursor dos coágulos marcado com um fluoróforo de infravermelho próximo. Deste modo, a formação de coágulos pôde ser quantificada pela análise de fluorescência de órgãos completos. Assim foi possível controlar com precisão a carga total de coágulos num modelo que se assemelha à patologia clínica de trombose venosa.

Detecção de embolia pulmonar a partir da urina

Diferentemente de outros sensores feitos com nanopartículas, que funcionam produzindo um sinal localizado, os NWs desenvolvidos sofrem a atividade de protease e liberam peptídeos repórteres nos locais de formação de trombos, que são filtrados e detectados remotamente a partir da analise da urina.

A foto mostra uma placa de ELISA pré-revestida com anticorpos de captura. Um teste ELISA convencional detecta um analito alvo através do complexo formado pela interação anticorpo-antígeno. Quando esta interação acontece, ocorre mudança na coloração dos poços. Nos ensaios para a detecção de embolia pulmonar, os pesquisadores só observaram mudança na coloração dos poços que continham urina de ratos com embolia pulmonar induzida.

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Os pesquisadores monitoraram a clivagem dos peptídeos e o tráfego dos fragmentos clivados através de NWs conjugados com substratos fluorescentes. Nos camundongos com EP foi observado um aumento de 1,8 vezes na fluorescência nos pulmões e 2,5 vezes nos rins em comparação com animais saudáveis. A partir destes resultados, os cientistas puderam concluir que os peptídeos eram clivados nos pulmões, acumulados nos rins e então excretados através da urina.

Para o imunoensaio, os pesquisadores coletaram a urina dos camundongos com EP induzida.

Ela foi então aplicada a placas ELISA de 96 poços, pré-revestidas com anticorpos de captura. Um teste ELISA convencional detecta um analito alvo através do complexo formado pela interação anticorpo-antígeno. Como previsto a partir das especificidades dos anticorpos utilizados, os pesquisadores observaram alteração na cor somente dos poços que continham urina dos ratos com EP induzida, ou seja, aqueles onde havia a formação complexo anticorpo/analito.

O sistema desenvolvido é facilmente escalonável e o resultado pode até ser detectado por outros métodos, como por exemplo testes baseados em papel realizados nos pontos de atendimento (hospitais, postos de saúde). Os nanoworms foram escolhidos pois permitem uma fácil adaptação clínica para testes em humanos. NWs já mostraram ser bem toleradas por ratos, e o FDA (Food and Drug Administration, nos EUA) já aprovou formulações semelhantes de nanopartículas de óxido de ferro para serem utilizados em pacientes humanos. Esses substratos de trombina também podem ser ligados a outras nanopartículas de longa circulação, tais como dextranos ou lipossomos, para evitar a filtração do peptídeo pelo sistema renal até que ocorra a clivagem por proteases.

Os pesquisadores agora pretendem trabalhar com modelos clínicos específicos, tais como a trombose venosa profunda (TVP). Segundo eles, este seria um importante passo para determinar o tipo de coágulos que o método desenvolvido pode detectar. O trabalho desenvolvido certamente amplia o escopo dos nanomedicamentos que podem ser usados para o monitoramento não invasivo de coágulos obstrutivos e trará melhorias significativas na qualidade de vida de pacientes que hoje dependem de técnicas invasivas para realizar tais testes. e Artigo escrito com base em: »»Anne Trafton, MIT News Office, 15/10/2013 »» Kevin Y. Lin et. al, ACS Nano, 2013, 7 (10), pp 9001–9009

Agradecemos ao Dr. Leonardo Foti, do Instituto de Biologia Molecular do Paraná, pelo trabalho de revisão técnica do artigo.

An MVP is not

a cheaper product

Defining the goal for a Minimun Viable Product can save you tons of time, money and grief.

I ran into a small startup at Stanford who wants to fly Unmanned Aerial Vehicles (drones) with a Hyper-spectral camera over farm fields to collect hyper-spectral images. These images would be able to tell farmers how healthy their plants were, whether there were diseases or bugs, whether there was enough fertilizer, and enough water. (The camera has enough resolution to see individual plants.)

Knowing this means farms can make better forecasts of how much their fields will produce, whether they should treat specific areas for pests, and put fertilizer and water only where it was needed.

(Drones were better than satellites because of higher resolution and the potential for making more passes over the fields, and better than airplanes because of lower cost.)

All of this information would help farmers increase yields (making more money) and reduce costs by using less water and fertilizer/chemicals but only applying where it was needed.

Their plan was to be a data service provider in an emerging business called “precision agriculture.”

They would go out to a farmer fields on a weekly basis, fly the drones, collect and process the data and then give it to the farmers in an easy understandable form.

I don’t know what it is about Stanford, but this was the fourth or fifth startup I’ve seen in precision agriculture that used drones, robotics, hightech sensors, etc. This team got my attention when they said, “Let us tell you about our conversations with potential customers.” I listened, and as they

described their customer interviews, it seemed like they had found, that – yes, farmers do understand that not being able to see what was going on in detail on their fields was a problem – and yes, – having data like this would be great – in theory.

So the team decided that this felt like a real business they wanted to build. And now they were out raising money to build a prototype minimum viable product (MVP.) All good. Smart team, real domain experts in hyper-spectral imaging, drone design, good start on customer discovery, beginning to think about product/market fit, etc.

These images would be able to “ tell farmers how healthy their plants were, whether there were diseases or bugs, whether there was enough fertilizer, and enough water.”

They showed me their goals and budget for their next step. What they wanted was a happy early customer who recognized the value of their data and is willing to be an evangelist. Great goal.

They concluded that the only way to get a delighted early customer was to build a minimum viable product (MVP). They believed that the MVP needed to, 1) demonstrate a drone flight, 2) make sure their software could stitch together all the images

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Unmanned Aerial Vehicle (drone) with a Hyper-spectral camera over farm field collecting hyper-spectral images. The information collected would help farmers increase yields and reduce costs by applying water and fertilizer where it was needed.

A Polyteck é uma publicação mensal da Editora Polyteck. É permitida a reprodução de reportagens e artigos, desde que citada a fonte. É vetada a reprodução de imagens e ilustrações, pois estas são protegidas pelas leis de direito autoral vigentes. Os pontos de vista expressos

of a field, and then 3) present the data to the farmer in a way he could use it.

And they logically concluded that the way to do this was to buy a drone, buy a hyper-spectral camera, buy the software for image processing, spend months of engineering time integrating the camera, platform and software together, etc.

They showed me their barebones budget for doing all this. Logical. And wrong.

The team confused the goal of the MVP, (seeing if they could find a delighted farmer who would pay for the data) with the process of getting to the goal.

They had the right goal but the wrong MVP to test it. Here’s why.

The teams’ hypothesis was that they could deliver actionable data that farmers would pay for. Period. Since the startup defined itself as a data services company, at the end of the day, the

nos artigos não refletem necessariamente a posição da Editora Polyteck.

Diretor Executivo: André Sionek Diretor Comercial: Fábio A. S. Rahal Diretora de Redação: Raisa Requi Jakubiak Imagens: Shutterstock, stock.xchng Tiragem: 10 mil exemplares Distribuição: Universidades, empresas e institutos de pesquisa do Paraná.

farmer couldn’t care less whether the data came from satellites, airplanes, drones, or magic as long as they had timely information.

That meant that all the work about buying a drone, a camera, software and time integrating it all was wasted time and effort – now. They did not need to test any of that yet. (There’s plenty of existence proofs that low cost drones can be equipped to carry cameras.) They had defined the wrong MVP to test first.

What they needed to spend their time is first testing is whether farmers cared about the data.

So I asked, “Would it be cheaper to rent a camera and plane or helicopter, and fly over the farmers field, hand process the data and see if that’s the information farmers would pay for? Couldn’t you do that in a day or two, for a tenth of the money you’re looking for?” Oh… They thought about it for a while and laughed and said, “We’re engineers and we wanted to test all the cool technology, but you want us to test whether we first have a product that customers care about and whether it’s a business. We can do that.”

Smart team. They left thinking about how to redefine their MVP. e Artigo escrito por Steve Blank, acesse o original no blog: http://bit.ly/1ifmWH2 Este artigo em inglês faz parte de um experimento que estamos realizando para tentar incentivar a leitura em um outro idioma. Você gostou? Deixe sua opinião no nosso site ou fanpage. O artigo traduzido encontra-se online no nosso blog.

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