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.

DNA dá nova vida à luz dos LEDs.

Comparação do LED tradicional (à esquerda) e do novo LED de DNA (à direita), que emite uma luz branca mais pura. [Imagem: James Grote]

DNA de salmão

O nome eletrônica orgânica sempre causa confusão, com os semicondutores à base de carbono sendo confundidos com coisas vivas.

Talvez agora a confusão aumente um pouco, uma vez que James Grote, da Universidade de Dayton, nos Estados Unidos, usou DNA para construir um LED.

E os ganhos não foram poucos: o LED de DNA tem uma luz mais agradável aos olhos humanos - é uma luz mais "quente" -, é mais brilhante, consome menos energia e tem uma vida útil mais longa.

Não se trata de nenhum "LED vivo", mas a mudança é inusitada: o pesquisador substituiu a camada fosforescente do LED, geralmente feita com uma mistura à base de epóxi, por uma camada de ácido desoxirribonucleico (DNA), processada a partir de ovas e esperma de salmão.

Esse DNA processado é um produto já disponível comercialmente, fabricado no Japão a partir de resíduos da indústria pesqueira.

Embora a produção seja pequena, mais voltada para pesquisas, o fato de usar como matéria-prima algo que é descartado pela indústria torna o material potencialmente muito barato.

LED de DNA

O mais surpreendente do resultado dessa substituição de epóxi por DNA é que a camada de epóxi não é exatamente o material ativo emissor de luz.

O LED de DNA continua sendo feito com o semicondutor nitreto de gálio, que emite luz azul.

Contudo, "a fluorescência do filme baseado em DNA é 100 vezes maior do que a fluorescência do filme original", diz o pesquisador.

"O DNA inicialmente era solúvel somente em água, assim ele foi primeiro precipitado com CTMA para torná-lo insolúvel em água, mas dissolúvel em solventes orgânicos. Depois de dissolver o DNA-CTMA em butanol, nós simplesmente misturamos [esse composto] com o pó de YAG:Ce," disse Grote.

CTMA é a sigla de cloreto de hexadeciltrimetilamônio. E YAG:Ce refere-se a um composto - a granada de alumínio-ítrio dopada com cério - usado para converter a luz originalmente azul do LED em luz branca.

Conversão de luz no LED

A luz originalmente azul emitida pelo semicondutor nitreto de gálio excita o YAG:Ce, fazendo com que uma parte da luz azul seja convertida para uma luz amarelada.

A luz amarela estimula os receptores vermelho e verde dos olhos, e a mistura resultante de azul e amarelo nos dá a impressão de estar vendo uma luz branca. Uma luz branco-azulada, na verdade, chamada de "luz fria", que não é a mais agradável aos olhos humanos.

O novo material à base de DNA converte a luz emitida pelo semicondutor em uma luz mais avermelhada, reduzindo ou até eliminando o componente azul, fazendo com que o LED emita uma luz branca "quente".

Além disso, a camada de DNA mostrou-se mais resistente à degradação do que a camada original, o que significa que o LED terá uma vida útil ainda maior.

Bibliografia:

A light-emitting diode using deoxyribonucleic acid

James Grote

SPIE Optics East 2006 Conference Proceedings

Vol.: Published online

DOI: 10.1117/2.1201208.004359

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.

Combustível nuclear pode manter Curiosity em Marte por 14 anos.

Gerador nuclear MMRTG usado no robô marciano Curiosity. [Imagem: NASA]

Aventura em Marte

O desejo de conhecer o universo foi o motor para uma série de avanços tecnológicos, de sondas a foguetes, a quem impomos a missão de olhar para fora do nosso planeta.

A busca é uma aventura maior a cada quilômetro percorrido, em um espaço que se cogita infinito. Um novo módulo de pesquisa está agora aterrissado no solo do planeta que mais passou por especulações desde a "conquista" da Lua: Marte.

Curiosity é um veículo não tripulado que foi desenvolvido pela Agência Espacial Norte-Americana (NASA) para coletar amostras e imagens do solo e da atmosfera do planeta vermelho, assim como analisar e investigar possíveis evidências de que em algum momento poderia ter havido vida no planeta.

Isso se dá pela utilização de equipamentos altamente sofisticados e de enorme precisão, todos acoplados à estrutura do veículo - o nome completo da aventura é MSL (Mars Science Laboratory), ou Laboratório Científico de Marte: o robô Curiosity possui a bordo um laboratório completo, onde serão analisadas as amostras recolhidas por seu braço robótico.

Ao contrário dos robôs marcianos anteriores, alimentados por painéis solares e baterias, o Curiosity tem uma curiosidade a mais: uma fonte de energia nuclear.

Energia nuclear no espaço

O desenvolvimento de sistemas seguros que forneçam energia para alimentar equipamentos como o Curiosity é de fundamental importância quando falamos de um ambiente hostil tal qual o da superfície de um planeta estranho. Isso sem mencionar a distância que impede qualquer tipo de manutenção mais complexa por parte dos cientistas aqui na Terra.

Pensando no tempo de vida útil do Curiosity, a NASA implantou um sistema de produção de energia e calor baseado em energia nuclear.

Não que isso seja alguma novidade no campo das missões espaciais, afinal, o primeiro módulo a carregar um dispositivo nuclear foi lançado em 14 de Abril de 1969, na missão Nimbus III. Após esse empreendimento bem-sucedido, tivemos mais 16 missões, incluindo esta última para Marte.

A importância de um sistema que seja capaz de fornecer energia e calor aos equipamentos é de total relevância, e ele deve ser completamente independente de condições climáticas e externas. Nesse caso, um pequeno conjunto de dispositivos tornou-se a base para a geração de energia que alimentaria o Curiosity pelos próximos dois anos de trabalho.

O sistema utilizado nesta missão, desenvolvido exclusivamente para ela, é chamado de Gerador Termoelétrico por Radioisótopos Multi-Missão (MMRTG, do inglês Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator).

Ele é formado por uma série de dispositivos que trabalham em conjunto para gerar calor a partir de reações de decaimento natural do isótopo de Plutônio-238. Seu design foi criado para que ele possa ser operado em condições de extremo vácuo no espaço ou com atmosfera de um planeta.

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Os dispositivos trabalham para administrar o calor liberado nas reações nucleares de decaimento e assim gerar, por meio de módulos de conversão termoelétricos (termopares), a energia elétrica necessária para o funcionamento do veículo e seus equipamentos.

A energia termonuclear é produzida dentro dos módulos GPHS (General Purpose Heat Source). [Imagem: NASA]

Energia termonuclear

A energia termonuclear é produzida dentro dos módulos GPHS (General Purpose Heat Source).

Cada módulo contém conjuntos de pastilhas cerâmicas de dióxido de plutônio-238 (PuO2-238), responsáveis por alimentar as reações nucleares, em um total de 4,8 kg da substância.

Essas pastilhas são encapsuladas em uma proteção feita de irídio. As cápsulas de combustível são então armazenadas em uma caixa recoberta por tubos formados por fibra de carbono, e em seguida colocadas nos módulos GPHS.

Cada módulo GPHS foi desenvolvido para funcionar separadamente, fornecendo até 250 watts térmicos, mas também podem ser agrupados para trabalharem em conjunto, formando pilhas (stacks).

Os módulos usados no Curiosity têm a dimensão de 4 cm X 4 cm X 2 cm cada um, pesando cerca de um quilograma e meio. Sua engenharia de construção foi elaborada para dar prioridade à segurança do sistema, evitando vazamentos de material radioativo mesmo em possíveis acidentes com o veículo.

O sistema gerador MMRTG possui eficiência operacional de 6 a 7%, podendo produzir até 110 Watts elétricos de potência total. O fornecimento de calor pelo próprio gerador é uma das características que tornam o conjunto adequado para manutenção do veículo.

Computadores e analisadores precisam estar em uma faixa de temperatura de operação a ser mantida constante, independente das extremas variações de temperatura do planeta - o calor virá do processo de decaimento do plutônio armazenado nos módulos, mantendo a estabilidade térmica dos equipamentos.

Apesar da missão com o Curiosity ter um tempo de finalização calculado para 687 dias terrestres, o gerador de energia poderá ser mantido operante por cerca de 14 anos.

Inovação tecnológica.

Metamaterial focaliza ondas de som como a lente de uma câmera.

O metamaterial pode expandir ou encolher o feixe de ondas acústicas com um perda de energia e distorção da onda mínimas.[Imagem: Sz-Chin Steven Lin/Penn Stat]

Engenheiros projetaram um novo tipo de material artificial - um metamaterial - capaz de manipular uma ampla gama de ondas acústicas usando um único dispositivo muito simples.

O feito mereceu a capa da renomada revista Journal of Applied Physics.

A invenção irá beneficiar quase todas as aplicações sônicas e ultra-sônicas atuais, tais como exames médicos de ultra-som e testes ultra-sônicos não destrutivos.

Metamateriais sônicos

Metamateriais ópticos têm sido amplamente estudados para aplicações como mantos da invisibilidade e lentes perfeitas.

Embora ondas acústicas e ondas eletromagnéticas sejam muito diferentes, os princípios básicos dos metamateriais ópticos aplicam-se aos metamateriais acústicos.

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As estruturas artificiais, conhecidas como metamateriais, são criadas em padrões que curvam a onda acústica, direcionando-a para um ponto único.

Em seguida, a onda acústica é reorientada para formar um feixe que pode ser mais largo ou mais estreito, dependendo da direção de deslocamento.

Esquema do modificador de abertura sônico, formado por pinos de aço incorporados em uma matriz de epóxi. [Imagem: Sz-Chin Steven Lin et al./JAPL]

O dispositivo - tecnicamente um modificador de abertura acústico - foi construído com cristais fonônicos com índice de refração variável, um nome pomposo para uma matriz de pinos de aço incorporados em epóxi, segundo um padrão cuidadosamente calculado.

Os obstáculos - os pinos de aço - diminuem a velocidade da onda acústica, fazendo-a compor feixes curvos.

Terapias ultra-sônicas

Segundo Sz-Chin Steven Lin, idealizador do novo dispositivo, embora outros tipos de metamateriais acústicos também possam concentrar ou desfocar um feixe acústico, o novo aparelho possui a vantagem de ser pequeno e ter uma elevada conservação de energia.

Hoje, cientistas e médicos precisam de vários transdutores de tamanhos diferentes para produzir ondas acústicas com aberturas diferentes.

É algo parecido a ter que trocar as lentes de uma câmera para mudar a abertura da lente.

Com este novo metamaterial acústico, a abertura desejada poderá ser facilmente obtida apenas alterando o modificador de abertura acústico ligado ao transdutor.

O dispositivo também deverá permitir o desenvolvimento de novas terapias ultra-sônicas de alta intensidade mais precisas e mais eficientes.

Essa técnica não-invasiva de calor pode ser usada no combate a uma variedade de cânceres e doenças neurológicas.

Bibliografia:

Design of acoustic beam aperture modifier using gradient-index phononic crystals

Sz-Chin Steven Lin, Bernhard R. Tittmann, Tony Jun Huang

The Journal of Applied Physics

Vol.: 111 (12): 123510

DOI: 10.1063/1.4729803

Inovação tecnólogica.