Luva eletrônica amplifica sensibilidade de cirurgiões.

A pele eletrônica poderá colocar nas mãos dos médicos recursos que hoje exigem instrumentos cirúrgicos separados. [Imagem: John Rogers/UIUC]

Pele melhorada

Cientistas estão se preparando para construir luvas cirúrgicas eletrônicas, não apenas restaurando, mas ampliando a sensibilidade dos dedos dos cirurgiões.

E, mais do que isso, prometendo literalmente colocar em suas mãos recursos que hoje exigem instrumentos cirúrgicos separados.

Luvas são essenciais na quase totalidade dos procedimentos de saúde. Conseguir um equilíbrio entre sensibilidade e resistência, porém, não é uma tarefa fácil.

Agora, usando circuitos eletrônicos tão flexíveis que podem ser até esticados, os engenheiros poderão garantir a fabricação de luvas ultra-resistentes e, simultaneamente, melhorar a sensibilidade tátil necessária para operações delicadas.

A inovação é resultado de uma série de inovações desenvolvidas pela equipe do Dr. John Rogers, um pioneiro no campo da eletrônica flexível.

Sensibilidade eletrônica

Há cerca de seis meses, o grupo apresentou uma pele eletrônica ativa, capaz de monitorar e controlar a saúde.

Agora, eles apresentaram o que chamam de estimuladores eletrotácteis, circuitos eletrônicos e sensores que podem ser montados conjuntamente para formar uma espécie de "pele artificial", ou "pele eletrônica", ultra-sensível, capaz de prover sensibilidade suficiente para a ponta dos dedos.

Mas não se trata apenas de replicar o tato humano.

"Imagine a capacidade de sentir as propriedades elétricas do tecido, e então removê-lo prontamente, com precisão, tudo apenas com os dedos, usando luvas cirúrgicas inteligentes," disse Rogers.

"Alternativamente, ou talvez em acréscimo, o imageamento por ultra-som também pode ser possível," completa ele.

Os pesquisadores afirmam que sua pele eletrônica também terá ampla aplicação na robótica, não apenas entre os robôs cirurgiões, mas entre os robôs que precisam interagir com o ser humano.

A pele eletrônica pode conter vários tipos de sensores e atuadores, que poderão ser montados em camadas. [Imagem: Ying et al./Nanotechnology]

Dos dedos para o coração

O circuito flexível avalia pressão, estresse e tensão medindo alterações na capacitância - a capacidade de armazenar cargas elétricas - de pares de microeletrodos. As forças aplicadas sobre o circuito forçam sua deformação, alterando sua capacitância.

O "dedal eletrônico" apresentado agora também incorpora sensores para detectar movimento e temperatura, e poderá no futuro conter mecanismos de aquecimento que poderão ser usados para ablação e outras operações similares.

"Talvez o resultado mais importante é que conseguimos incorporar tecnologias multifuncionais à base de semicondutores de silício para formar peles macias, tridimensionais e de formato livre, adequadas para integração não só nas pontas dos dedos, mas também em outras partes do corpo," acrescentou o professor Rogers.

De fato, a equipe planeja agora criar uma pele eletrônica que possa ser integrada em outras partes do corpo, incluindo o coração.

Neste caso, o dispositivo deverá envolver a superfície do coração, como uma meia, para proporcionar várias funções de exame e atuação, sobretudo para o tratamento de arritmias cardíacas.

Bibliografia:

Silicon nanomembranes for fingertip electronics

Ming Ying, Andrew P Bonifas, Nanshu Lu, Yewang Su, Rui Li, Huanyu Cheng, Abid Ameen, Yonggang Huang, John A Rogers

Nanotechnology

Vol.: 23 (34): 344004

DOI: 10.1088/0957-4484/23/34/344004

Inovação tecnológica.

Processador wireless: sem fios internos.

O chip wireless continuará tendo fios para as rotas de comunicação mais usadas. As vias menos usadas vão se comunicar por antenas. [Imagem: Drexel University]

Eliminando os nanofios

Aparelhos que se comunicam uns com os outros sem fios estão por toda parte.

Mas a Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos quer mais: a ideia é que os blocos internos dos processadores, e dos chips em geral, passem a se comunicar por ondas de rádio, eliminando a fiação interna do chip.

Isto será feito adicionando antenas de transmissão e recepção a cada um dos blocos do processador.

Os maiores ganhos serão a possibilidade de uma miniaturização ainda maior dos chips e, principalmente, a diminuição do calor gerado pelo trânsito dos elétrons em seu interior.

"Mais ou menos como acontece com o intestino humano, as interconexões com fios são muito longas, apesar da possibilidade de sua condensação em um espaço pequeno. O volume total de conexões necessárias para tornar um chip funcional exige uma área muito grande," explica o professor Baris Taskin, da Universidade de Drexel, encarregado de construir o chip wireless juntamente com seu colega Kapil Dandekar.

Rede wireless no chip

A equipe já elaborou o projeto de uma "rede dentro de um chip" que usa tanto antenas quanto interconexões por fios, otimizando a velocidade de comunicação e permitindo que o chip seja usado em plataformas novas e mais sofisticadas.

"Um chip híbrido que utiliza conexões tanto com, quanto sem fios, resulta em uma plataforma mais robusta," disse Taskin. "As interconexões com fios podem ser usadas como linhas de comunicação dedicadas entre as áreas que estão constantemente trocando dados. E as antenas podem eliminar uma série de interconexões com fios entre as rotas de comunicação menos usados dentro do chip."

Um dos elementos-chave para viabilizar a transformação desse design em um chip real é uma tecnologia de antenas reconfiguráveis, criada por Dandekar.

Problemas de rede

A utilização de radiofrequências para o transporte de dados tem uma vantagem sobre outras técnicas sem fios planejadas para a próxima geração de microchips, uma vez que as ondas de rádio podem viajar através dos sólidos.

Mas também tropeça nas mesmas dificuldades encontradas para o projeto de outras redes de comunicação: onde colocar as antenas, qual a frequência de transmissão a ser usada para evitar interferências, e como obter a maior banda possível, para que a rede não se torne um gargalo para os dados no interior do processador.

Os pesquisadores, contudo, afirmam que vale a pena enfrentar esses desafios, uma vez que as redes sem fios on-chip poderão ser prontamente usadas nos chips 3D.

Eles esperam ter seus primeiros protótipos funcionais dentro de cinco anos.

Outra alternativa para o mesmo problema são os processadores fotônicos, que trocam dados por luz, em vez de eletricidade. Eles poderão ser muito mais rápidos, mas não necessariamente terão um sistema de trânsito de dados mais simples.

Inovação tecnológica.

Como evitar armadilhas na eletrônica de plástico.

Os elétrons caem nas armadilhas dos semicondutores orgânicos porque elas têm um nível menor de energia.[Imagem: Gert-Jan Wetzelaer/University of Groningen]

Como evitar armadilhas na eletrônica de plástico

Os elétrons caem nas armadilhas dos semicondutores orgânicos porque elas têm um nível menor de energia.[Imagem: Gert-Jan Wetzelaer/University of Groningen]

Armadilha para elétrons

A "eletrônica de plástico", ou eletrônica orgânica, tem uma série de vantagens em relação à eletrônica do silício.

Os circuitos eletrônicos de plástico são flexíveis, podem ser transparentes, consomem pouquíssima energia e são fabricados por impressão, o que significa que eles saem muito mais baratos.

Mas, então, por que não migrarmos já para os componentes eletrônicos orgânicos, a exemplo do que já está sendo feito com os LEDs, que estão virando OLEDs (LEDs Orgânicos)?

O problema é uma armadilha, assim literalmente chamada pelos engenheiros, para explicar a existência de estruturas que aprisionam as cargas elétricas - os elétrons - dentro dos plásticos semicondutores, derrubando sua eficiência.

O problema é que ainda se sabe pouco sobre essas "armadilhas para cargas elétricas".

Semicondutores de plástico

Agora, uma equipe internacional descobriu um mecanismo que parece operar em todos os casos, o que poderá permitir o projeto de componentes eletrônicos orgânicos livres de armadilhas.

Os semicondutores de plástico são feitos de polímeros à base de carbono - daí o "orgânico" em sua designação.

"Nós resolvemos esse quebra-cabeças comparando as propriedades das armadilhas em nove polímeros diferentes," explica Herman Nicolai, da Universidade de Gronigen, na Holanda. "A comparação revelou que as armadilhas em todos os materiais têm um nível de energia similar."

Esse nível de energia ocorre dentro do chamado "hiato proibido de energia", e equivale ao produzido por um complexo água-oxigênio, que pode estar sendo introduzido durante o processo de fabricação.

Os diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) poderão brilhar muito mais, sem gastar mais energia, com plásticos semicondutores sem "armadilhas". [Imagem: Herman Nicolai/University of Groningen]

Hiato de energia

O hiato de energia representa a diferença em energia da camada externa, na qual os elétrons circulam no seu estado fundamental, e o orbital de alta ordem, para o qual eles são movidos para transportar a carga ao longo do material.

Quando um elétron transportador, em movimento, passa por uma armadilha que está dentro do nível de energia, ele cai lá dentro porque a armadilha tem um nível de energia mais baixo.

"Mas se os químicos puderem projetar polímeros semicondutores nos quais a armadilha de energia esteja acima do orbital mais elevado onde os elétrons se movem, eles nunca cairão lá dentro," disse Nicolai.

E, com o novo trabalho, os químicos já podem fazer isso, projetando suas novas moléculas com os níveis de energia adequados. Os pesquisadores afirmam que os benefícios mais imediatos virão para os OLEDs e para as células solares orgânicas.

Bibliografia:

Unification of trap-limited electron transport in semiconducting polymers

H. T. Nicolai, M. Kuik, G. A. H. Wetzelaer, B. de Boer, C. Campbell, C. Risko, J. L. Brédas, P. W. M. Blom

Nature Materials

Vol.: Published online

DOI: 10.1038/nmat3384

Inovação tecnológica.

US$10 milhões para quem inventar um tricorder!!!

O primeiro tricorder antecipava, em 1966, os então ultramodernos gravadores de fita cassete. [Imagem: Cortesia CBS Studios Inc.]

Métricas da saúde

Um prêmio de US$ 10 milhões (R$ 18 milhões) está à espera de quem consiga criar um "tricorder" médico, um aparelho de diagnóstico similar ao usado pelo Dr. McCoy, da série Jornada nas Estrelas.

O Qualcomm Tricorder X Prize está desafiando cientistas e engenheiros a construir uma ferramenta capaz de capturar "as métricas-chave da saúde e diagnosticar um conjunto de 15 doenças".

Ele precisa ser leve o suficiente para que os candidatos a Dr. McCoy possam levá-lo a tiracolo - um peso máximo de 2,2 kg.

De acordo com o manual técnico oficial de Jornada nas Estrelas, um tricorder é um "aparelho portátil de sensoriamento, computação e comunicações de dados".

O aparelho capturou a imaginação de milhões de espectadores do filme quando foi usado pela primeira vez na primeira transmissão da série, em 1966.

No episódio, que ocorria no século 23, o médico da equipe usou o tricorder para diagnosticar uma doença simplesmente fazendo uma varredura do corpo de uma pessoa.

Fato científico

Os organizadores do prêmio esperam que o enorme quantia em dinheiro possa inspirar os engenheiros de hoje a descobrir o segredo do gadget sci-fi, e "fazer a ficção científica do século 23 virar uma realidade para os médicos do século 21".

"Eu provavelmente sou o primeiro cara que que ficaria feliz em perder US$ 10 milhões", brincou o presidente da X Prize Foundation, Peter Diamandis.

Enquanto o tricorder ainda é coisa de ficção científica, outros prêmios X Prizes já se tornaram fato científico.

Em 2004, o Ansari X Prize para uma espaçonave reutilizável privada foi concedido à equipe que construiu a nave SpaceShipOne.

Grande parte da tecnologia desenvolvida para ganhar o prêmio foi posteriormente utilizado pela Virgin Galactic, uma das parceiras da NASA na nova era de exploração espacial privada.

Saúde wireless

Ao comentar o prêmio, o professor Jeremy Nicholson, chefe do departamento de cirurgia e câncer no Imperial College de Londres, afirma não acreditar que alguém possa ganhar os US$10 milhões em um futuro próximo.

"Os desafios são: o que você vai detectar, quais são as amostras que você pode colher e como juntar tudo em um único aparelho?", afirmou.

Mesmo se o aparelho puder ser construído, continuou ele, os testes e a obtenção da aprovação para uso médico podem levar muito mais tempo.

Mas o Sr. Diamandis, aquele que ficaria feliz em pagar o prêmio, afirma que o simples fato de o prêmio existir poderia transformar o setor de saúde.

"Não é uma solução pontual. O que estamos procurando é o lançamento de uma nova indústria", disse ele.

"O tricorder que foi usada por Spock e Bones inspira uma visão de como a saúde será no futuro. Ela será sem fio, móvel e minimamente ou não-invasiva," prevê Diamandis.

Se serve como consolo para aqueles que pensam em ganhar o prêmio, pelo menos uma característica do tricorder de Jornada nas Estrelas não precisará estar presente.

"Nós não temos uma exigência de que o aparelhinho faça um zumbido," brincou Diamandis.

Inovação tecnológica!!!

Material exótico revela surpresas spintrônicas!!!

As medições mais detalhadas revelaram que o spin do elétron não é perfeitamente alinhado à perpendicular da direção do movimento do elétron quando os elétrons possuem energias mais altas. [Imagem: Gedik Group]

Isolantes topológicos

Antes que os caudalosos rios de elétrons da eletrônica possam ser substituídos pelos conta-gotas de spins da spintrônica é necessário entender melhor e aprender a controlar essa sutil propriedade dos elétrons.

Agora, cientistas do MIT descobriram uma forma de observar e controlar a forma como os elétrons "giram" - seu spin - na superfície de uma nova classe promissora de materiais.

E tiveram uma surpresa em relação ao que previa a teoria.

A classe de materiais exóticos, chamada de "isolantes topológicos", foi descoberta há poucos anos, e vem sendo estudada para aplicações desde os supercondutores até os computadores quânticos.

E agora eles ficaram ainda mais interessantes.

Spin com luz

Nuh Gedik e seus colegas descobriram que é possível usar a luz não apenas para "ler" o spin dos elétrons que fluem sobre os isolantes topológicos, como também para alterar esses spins, o que é feito mudando a polarização da luz de controle.

O uso da luz para controlar um componente spintrônico significa não apenas que essa nova geração de circuitos lógicos poderá consumir muito menos energia, como também será várias ordens de grandeza mais rápidos.

A nova técnica fornece um mapeamento tridimensional da energia do elétron, do seu momento e do estado de seu spin, tudo em uma única "leitura".

Isto foi possível com a utilização de pulsos intensos e muito curtos de luz polarizada circularmente.

Spin não-perpendicular

Como o tempo de "viagem" dos pulsos de luz pode ser medido com grande precisão, os pesquisadores usaram a técnica para medir como o spin e o movimento do elétron estão relacionados.

E eles fizeram isto para elétrons viajando em todas as direções e com diferentes momentos, tudo em uma fração do tempo exigido pelas técnicas existentes.

E a técnica também revelou uma surpresa inesperada.

As medições mais detalhadas revelaram que o spin do elétron não é perfeitamente alinhado à perpendicular da direção do movimento do elétron. Quando os elétrons possuem energias mais altas, há uma espécie de "curvatura" nesse alinhamento.

"Entender essa distorção será importante quando esses materiais forem usados em novas tecnologias," preveem os pesquisadores.

Bibliografia:

Observation of a Warped Helical Spin Texture in Bi2Se3 from Circular Dichroism Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy

Y. H. Wang, D. Hsieh, D. Pilon, L. Fu, D. R. Gardner, Y. S. Lee, N. Gedik

Physical Review Letters

Vol.: 107, 207602

DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.207602

Control over topological insulator photocurrents with light polarization

J. W. McIver, D. Hsieh, H. Steinberg, P. Jarillo-Herrero, N. Gedik

Nature Nanotechnology

Vol.: Published online

DOI: 10.1038/nnano.2011.214

Memória de luz é construída com fibra óptica!!!

A luz dá literalmente um salto quântico de uma fibra para a outra, ficando presa no caminho, o que pode ser usado como um bit de memória em um processador óptico.[Imagem: OFS Laboratories]

Microrressonadores

A fotônica vem avançando rapidamente, prometendo revolucionar os computadores, com cálculos feitos à velocidade da luz.

Agora, pesquisadores descobriram uma nova forma de usar a luz para armazenar dados, usando microrressonadores, uma tecnologia emergente, mas baseada em materiais já fabricados industrialmente.

Misha Sumetsky e seus colegas descobriram como combinar as propriedades quânticas da luz com uma propriedade das fibras ópticas até agora inexplorada.

Em 2009, um grupo alemão descobriu como usar uma fibra óptica para armazenar luz e, por decorrência, dados.

A nova técnica produz o mesmo efeito, mas com uma abordagem diferente: os pesquisadores criaram zonas mais estreitas ao longo de uma fibra óptica.

Armazenar a luz

Os estreitamentos na fibra óptica confinam a luz ao fazê-la seguir uma rota em formato de parafuso, para frente e para trás, criando um microrressonador.

O principal feito do grupo foi desenvolver uma técnica que permite fabricar esses estreitamentos de forma rápida e eficiente.

Fabricar microrressonadores é uma espécie de "cálice sagrado" na busca pelos computadores ópticos, com a diferença de que o que se quer aqui é encontrar um mapa de uma rota que não deixe a luz escapar.

Armazenar a luz - fazer os fótons ficar dando voltas por um determinado tempo - não é algo fácil porque qualquer imperfeição no material pode significar perda da informação.

A palavra-chave para desvendar o mistério é "acoplamento evanescente", o mesmo fenômeno que permite que a luz caminhe pelo lado de fora de nanofios.

O próximo passo da pesquisa é construir uma série desses "bits ópticos" ao longo da mesma fibra, e fazê-los funcionar de forma controlada. [Imagem: OFS Laboratories]

Salto quântico

Em uma fibra óptica normal, uma diferença de índice de refração entre o núcleo e o revestimento da fibra faz com que a luz viaje muitos quilômetros com pouquíssima perda de sinal.

Na fibra onde são feitos os estreitamentos, a luz encontra uma espécie de rampa à sua frente, o que a faz escapar, sendo capturada por outra fibra alinhada perpendicularmente à primeira.

Como as duas fibras estão muito próximas, e como a fibra original estreita-se para uma fração de sua dimensão original, uma parte da luz dá literalmente um salto quântico para a outra fibra.

Esse é o acoplamento evanescente, que permite que uma onda eletromagnética - a luz - acople as duas fibras.

Bits ópticos

Assim, em vez de viajar livremente ao longo da fibra, a luz fica circulando em volta da sua superfície, em círculos muito apertados.

Mesmo mantendo sua velocidade, como passa a fazer uma rota em parafuso, na prática a luz viaja ao longo do comprimento da fibra a uma fração da sua velocidade em uma fibra normal, sem os microrressonadores.

Cada microrressonador destes representa um bit de memória óptica.

Assim, o próximo passo da pesquisa, é testar uma série deles funcionando ao longo da mesma fibra, de forma controlada.

Plasmônica: em busca da computação à velocidade da luz

Bibliografia:

Surface nanoscale axial photonics: Robust fabrication of high quality factor microresonators

M. Sumetsky, D. J. DiGiovanni, Y. Dulashko, J. M. Fini, X. Liu, E. M. Monberg, T. F. Taunay

Optics Letters

Vol.: 36, Issue 24, pp. 4824-4826

DOI: 10.1364/OL.36.004824

Inovação Tecnológica!!!

Câmeras com retina artificial capturam imagens sem distorções!!!

Os sensores côncavos podem se transformar em retinas artificiais ou criar novas câmeras capazes de capturar imagens sem distorções e aberrações.[Imagem: University of Illinois/Urbana-Champaign]

Sensor hemisférico

Pesquisadores norte-americanos apresentaram o primeiro sensor hemisférico para câmeras digitais e, no futuro, também para implantes em seres humanos.

O sensor curvilíneo elimina as distorções ópticas e as aberrações associadas com os sensores planos convencionais, os chamados CCDs.

A indústria nunca estranhou os sensores planos porque já estava acostumada com os velhos filmes, que também se tornavam superfícies planas ao se desenrolarem para produzir cada foto.

Mas isso sempre teve um elevado custo em termos de correção das distorções ópticas - basta lembrar que o sensor óptico do olho humano, a retina, é uma superfície côncava.

Plano sobre curva

O novo sensor é fruto da cooperação de uma equipe da Universidade de Illinois, que desenvolveu um conceito de uma câmera similar ao olho humano, e um grupo da Universidade Northwestern, que desenvolveu circuitos integrados superflexíveis.

O principal melhoramento é que agora é possível fabricar os componentes optoeletrônicos de silício, assim como as interconexões deformáveis, diretamente sobre a superfície côncava, mas usando as mesmas técnicas usadas nos materiais planos.

Este era o elo que faltava para que a tecnologia pudesse passar para a fase de desenvolvimento em escala industrial.

Retina artificial

Além de câmeras mais precisas, sem distorções e sem aberrações, o novo sensor pode se transformar em uma retina artificial implantável, algo impossível de se fazer com sensores planos e rígidos, como os usados nas câmeras digitais.

Os pesquisadores colocam essa possibilidade em termos mais genéricos, afirmando que "o sensor curvilíneo pode oferecer oportunidades para novas classes de sistemas de imagens nos quais a otimização do projeto envolve não apenas a configuração das lentes, mas também a geometria dos detectores."

Inovação Tecnológica!!!

Câmera mais rápida do mundo mostra luz em câmera lenta!!!

Imagens superpostas da face esférica das ondas de luz refletidas pelas superfícies que estão sendo filmadas - este é um dos quadros da filmagem da câmera de 1 trilhão de quadros por segundo. [Imagem: Ramesh Raskar/MIT]

1 trilhão fps

Cientistas do MIT, nos Estados Unidos, criaram uma filmadora tão rápida que até a luz pode ser vista se movimentando em câmera lenta.

A câmera captura imagens a uma velocidade de 1 trilhão de quadros por segundo.

Isto é suficiente para filmar a luz atravessando uma garrafa de refrigerante, como que "enchendo a garrafa de luz", com alguns raios caminhando de volta para o fundo da garrafa depois de refletirem-se na tampinha .

A câmera mais rápida do mundo até agora atingia 6 milhões de quadros por segundo, usando raios lasers e sem usar um CCD.

A nova câmera também não tem quase nenhuma similaridade com as filmadoras tradicionais - ela é baseada em uma nova tecnologia chamada câmera de listras.

Câmera elétrica

A abertura da câmera super rápida, por onde os fótons entram, é uma fenda muito estreita.

Após a fenda, os fótons passam por um campo elétrico que os faz virar na direção perpendicular à fenda.

Como o campo elétrico varia muito rapidamente, ele deflete menos os fótons que chegam primeiro, e mais os fótons que chegam logo depois.

Assim, a câmera produz uma imagem que é bidimensional, mas apenas uma das dimensões é espacial - a dimensão correspondente à direção da fenda.

Imagens superpostas da face esférica das ondas de luz refletidas pelas superfícies que estão sendo filmadas - este é um dos quadros da filmagem da câmera de 1 trilhão de quadros por segundo. [Imagem: Ramesh Raskar/MIT]

A outra dimensão, correspondente ao grau de deflexão dos fótons, corresponde ao tempo.

Assim, a imagem representa o tempo de chegada dos fótons passando através de uma fatia unidimensional do espaço.

O resultado é que a imagem capturada em cada exposição corresponde a apenas uma faixa da cena - ou uma linha vertical de pixels.

Câmera de listras

Essa estranha, mas rapidíssima câmera, será muito útil em química e biologia, em experimentos que observam a luz que atravessa ou que é emitida por uma amostra.

Como, nesses casos, os cientistas estão interessados nos comprimentos de onda da luz que a amostra absorve, ou como a intensidade da luz que a amostra emite varia ao longo do tempo, o fato de que a câmera registra apenas uma dimensão espacial é irrelevante.

Mas é possível também capturar imagens completas de uma cena, desde que seja uma cena estática.

Para isso, a captura de cada imagem deve ser repetida inúmeras vezes, deslocando ligeiramente a câmera para que ela capture uma linha vertical de pixels a cada exposição - é daí que vem o nome da tecnologia, câmera de listras.

Por exemplo, a luz entra e sai da garrafa de refrigerante em cerca de 1 nanossegundo, mas leva cerca de uma hora para coletar todos os dados necessários para fazer o filme.

Inovação tecnológica!!!