Computador minúsculo funciona como sensor de pressão ocular

                                                    Milicomputador

Pesquisadores da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, acabam de criar o primeiro "milicomputador" do mundo - um dispositivo de processamento com dimensões na faixa dos milímetros.
Isso pode parecer estranho quando todos já se acostumaram com o termo microcomputador - em uma escala de dimensões, micro é mil vezes menor do mili.
Ocorre que, quando o termo foi cunhado, um microcomputador era minúsculo em relação aos mainframes.
E os microcomputadores tinham como unidade central de processamento um microprocessador, cujos transistores tinham dimensões na faixa dos micrômetros - logo, com um pouco de boa vontade, é possível concluir que o termo fazia sentido na época.
Mas o que os engenheiros construíram agora foi um dispositivo de processamento inteiro que mede alguns poucos milímetros. Ou, pelo menos é assim que ele foi anunciado com grande alarde.
                                      
                                      Sensor autônomo inteligente

Embora esteja sendo chamado de computador, o equipamento é na verdade um protótipo de monitor de pressão dos olhos para pacientes com glaucoma. Quando totalmente desenvolvido, ele deverá ser implantado no olho do paciente.
Sua primeira versão foi apresentada há exatamente um ano, de forma bem mais discreta, e não como um computador, mas como um microssensor implantável para uso médico:

•                   Microssensor perpétuo captura sua própria energia

                                        Sensor ambiental
Engenheiros da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, apresentaram o menor sensor autônomo já construído, alimentado por energia solar, com apenas 9 milímetros cúbicos.
O minúsculo aparelho poderá finalmente viabilizar uma série de tecnologias promissoras, mas que ainda dependiam de miniaturização das fontes de alimentação.
Suas aplicações incluem implantes biomédicos e redes de sensores ambientais, destinados ao monitoramento de pontes e outras grandes obras de construção civil, além de coletar dados ambientais propriamente ditos, como a qualidade do ar e da água.
Microssensor
O aparelho, constituído por células solares e bateria, para permitir que o sensor funcione 24 horas por dia, além do circuito de gerenciamento de todo o sistema, mede 2,5 por 3,5 por 1 milímetro.
Segundo os pesquisadores, além de ser mais de 1.000 vezes menor do que os sensores hoje disponíveis, ele poderá funcionar virtualmente de forma perpétua.
A miniaturização do sensor foi possível graças ao processador ARM Cortex-M3, um microprocessador RISC de 32 bits altamente eficiente em termos de consumo de energia, exigindo 2.000 vezes menos potência em modo sleep do que seus concorrentes comerciais mais próximos.
Sensor perpétuo
"Nosso sistema pode funcionar quase perpetuamente se exposto a condições de iluminação razoáveis, mesmo em ambientes fechados", afirma David Blaauw, um dos criadores do novo sensor. "Seu único fator limitante é o desgaste da bateria, mas a bateria deverá durar muitos anos".
A limitação não se refere à energia contida na bateria, já que ela é recarregada pelas células solares, mas pela sua durabilidade em termos de ciclos de carga e recarga.
O sensor passa a maior parte de seu tempo no modo sleep, acordando brevemente a cada poucos minutos para fazer suas medições e transmitir os resultados. Seu consumo de energia total médio é inferior a 1 nanowatt. Um nanowatt corresponde a um bilionésimo de um watt.
Gestão de energia
Os engenheiros afirmam que a maior inovação é o seu método de gestão de energia. O processador precisa de apenas 0,5 Volt para funcionar, mas a bateria Cymbet de estado sólido libera perto de 4 volts. A tensão, que é essencialmente a pressão da corrente elétrica, deve então ser reduzida para que o sistema funcione de forma mais eficiente.
"Se usássemos os métodos tradicionais, o processo de conversão de tensão consumiria muitas vezes mais energia do que o próprio processador," explica Dennis Sylvester, outro membro da equipe.
A solução foi diminuir a frequência (clock) do chip de gerenciamento de energia quando a carga sobre o processador está baixa. "Nós pulamos batimentos [do relógio] se a tensão estiver suficientemente estável," diz Sylvester.
Sensor de pressão
Os pesquisadores já estão trabalhando com colegas médicos para explorar o potencial de aplicações do novo dispositivo na área da saúde.
O microssensor permitirá a criação de formas menos invasivas para monitorar mudanças da pressão nos olhos, no cérebro e em tumores em pacientes com glaucoma, traumas na cabeça, ou câncer.



E ele continua sendo isto: um microssensor capaz de fazer leituras periódicas e transmitir os resultados para um computador por meio de uma conexão de rádio. Uma categoria mais adequada para o equipamento seria sensor autônomo inteligente, uma vez que computador refere-se a máquinas sem objetivos definidos.
O que, por si só, torna-o um desenvolvimento importante, rumo não apenas a dispositivos implantáveis para monitoramento da saúde, como também para viabilização das tão esperadas redes de sensores sem fios, que poderão monitorar de tudo, do funcionamento de máquinas ao processo de troca de carbono nas florestas.
Hibernação extrema
O microssensor inteligente agora apresentado é voltado sobretudo para aplicações médicas, embora ele ainda não tenha sido testado in vivo.
Em um invólucro de pouco mais de 1 milímetro cúbico, o sistema inclui um microprocessador de potência ultrabaixa, um sensor de pressão, memória, uma bateria de filme fino, uma célula solar e um transmissor de rádio com uma antena, capaz de transmitir os dados coletados para um leitor externo localizado a uma distância de alguns milímetros.
O processador no monitor de pressão intra-ocular é a terceira geração do chip Phoenix, desenvolvido pela equipe de Michigan, que usa um sistema de hibernação extrema para consumir pouca energia.
O processador acorda apenas a cada 15 minutos para fazer as medições, consumindo uma média de 5,3 nanowatts. Sua memória pode armazenar até uma semana de informações
Para manter a bateria carregada, suas células solares devem ficar expostas a pelo menos 10 horas de luz interna ou 1,5 hora de luz solar direta - uma solução aparentemente inadequada para um dispositivo implantável no corpo humano, embora muito útil para sensores ambientais.
Poeira inteligente e Nanitos
Mas é necessário fazer justiça ao trabalho de outros pesquisadores.
Como, por exemplo, o projeto "Poeira Inteligente" (SmartDust) que apresentou o realmente primeiro "milicomputador" no ano de 2003:


                                           Sensor Wireless de 5 mm²
                                                  
                                                 Poeira inteligente 

• O novo sensor faz parte do projeto "Smart Dust" (Poeira Inteligente), um esforço de pesquisa com o objetivo de construir minúsculos sistemas inteligentes para monitoramento de consumo de energia, integridade estrutural de edifícios e pontes e até o fluxo de tráfego em avenidas.
  O novo sensor será o cérebro de uma nova geração de micro-dispositivos batizados de "motes" (partícula, coisa muito pequena).
  Robôs-partícula
  O novo "mote" agora apresentado, chamado Spec, será um dispositivo do tamanho de um grão de areia, com baixíssimo consumo de energia e com comunicações sem fios.
  Os robôs-partículas serão controlados por um sistema operacional "open-source" chamado TinyOS.
  Grandes quantidades desses robôs-partícula poderão ser utilizados em redes de sensores sem fios em aplicações tão diversas quanto a verificação de danos estruturais em construções civis atingidas por terremotos, o alerta sobre a presença de substâncias bioquímicas e até mesmo o monitoramento de ambientes de nidificação de aves em locais remotos.
  Micro-cérebro
  O equipamento apresentado é na verdade um minúsculo cérebro para robôs, capaz de transmitir dados por sinais de rádio, na freqüência de 902 MHz, com alcance de cerca de 12 metros e a velocidade de 19.200 Kbytes por segundo.
  "O Spec é nosso primeiro mote a integrar comunicação por rádio e circuitos customizados em um chip que roda o sistema operacional TinyOS," disse Kris Pister, um dos criadores do projeto "Smart Dust".
  "É um grande passo rumo a sensores que custam menos do que um dólar cada um e que são integrados em produtos que possuímos, nos prédios que vivemos e trabalhamos e nas rodovias nas quais dirigimos. O potencial para uma rede de sensores como essa é enorme," completou.
  
  
  

  O micro-sensor é um sistema computacional completo dezenas de vezes menor do que um microprocessador de um computador. [Imagem: Berkeley]
  TinyOS
  O Spec junta anos de pesquisa conjunta do Dr. Kris Pister e de seu colega David Culler.
  Enquanto Pister conduz as pesquisas sobre miniaturização dos equipamentos, Culler chefia as pesquisas do sistema operacional TinyOS, que permite que os motes comuniquem-se uns com os outros.
  O protótipo agora apresentado pelos pesquisadores incorpora um micro-rádio, um conversor analógico-digital e um sensor de temperatura, tudo controlado pelo TinyOS, em uma única pastilha de silício medindo 2 por 2,5 milímetros.
  Mas a integração não é objetivo em si: os pesquisadores estão procurando maneiras de baratear a produção do Spec, viabilizando sua adoção em larga escala.
  Ao condensar todas as funções em um único chip, os pesquisadores eliminam etapas de montagem e pós-processamento, reduzindo o custo de produção do equipamento.
  Sistema operacional em hardware
  Para que o cérebro-robô ficasse tão pequeno foi essencial a implementação do sistema operacional em hardware.
  São aceleradores especificamente projetados para rodar mais rapidamente porções-chave do TinyOS, permitindo, por exemplo, que a criptografia dos dados pudesse ser feita milhares de vezes mais rapidamente do que poderia ser feita comuma implementação equivalente em software.
  Como o sistema roda mais rápido e com maior eficiência, o sistema como um todo consome muito menos energia.
  Os pesquisadores esperam colocar o Spec no mercado no próximo ano.
  Ele é bem menor, mais eficiente e consome menos energia do que o seu predecessor, chamado Mica, e disponível comercialmente através da empresa Crossbow Technology.
  

Poeira Inteligente refere-se a sensores minúsculos, que poderiam ser espalhados pelo ambiente para coletar dados, transmitindo-os para uma central para processamento. Coincidentemente ou não, o grupo da Universidade de Berkeley, criadora desse projeto, comparou seu sensor inteligente com a ponta de uma caneta.
A mesma ideia de computadores minúsculos está presente no conceito dos nanitos, microrrobôs milimétricos capazes de agir coletivamente, imitando o comportamento de enxames de insetos, como formigas, cupins e abelhas:

• Vem ai os nanitos,microrrobôs milimétricos capazes de agir coletivamente

Pesquisadores estão agora mais próximos do que nunca da produção de nanitos, robôs que medem apenas alguns milímetros e que podem realmente imitar o comportamento de insetos, como formigas.
Nanitos
Esse avanço terá implicações de grande alcance: o cientistas vislumbram que um dia esses robôs poderão ser lançados aos milhares para monitorar e sensoriar o meio ambiente, inspecionar equipamentos ou mesmo executar procedimentos médicos no interior do corpo humano.
Desenvolver robôs que trabalham em conjunto não é uma idéia nova, e robôs assim com dimensões de apenas alguns centímetros já estão sendo construídos. O projeto de pesquisas europeu batizado de I-SWARM, entretanto, utiliza tecnologia de fabricação de chips para a construção de robôs milimétricos, também conhecidos como nanitos.
Inteligência pré-racional
O projeto representa um salto gigantesco para a pesquisa em robótica ao reunir especialistas em micro-robótica, sistemas distribuídos e adaptativos e sistemas biológicos coletivos auto-organizáveis. O grupo, formado por cientistas de 10 institutos de pesquisas europeus, é coordenado pelos professores Heinz Worn e Jorg Seyfried, da Universidade de Karlsruhe, na Alemanha.
Os avanços tecnológicos alcançados pelo projeto irão facilitar a produção em massa de micro-robôs. Consistindo de até 1.000 robôs clientes equipados com inteligência pré-racional limitada, eles podem ser utilizados como um enxame real capaz de executar uma grande variedade de tarefas, incluindo a micro- montagem e tarefas médicas, biológicas ou de limpeza.
Cada enxame será composto por vários robôs heterogêneos, que diferem entre si no tipo de sensores, manipuladores e poder computacional, a fim de melhor equipar o grupo para o desempenho de suas tarefas.
Colônias de micro-robôs
Esses enxames de micro-robôs irão operar de maneira similar à que é vista em sistemas ecológicos, como formigueiros, colméias e outros colônias de insetos. Há muitos benefícios em se imitar a capacidade de agrupamento dos insetos, mas a vantagem primordial está no fato de que os enxames serão capazes de desempenhar tarefas que não podem ser feitas por um único robô ou mesmo por um pequeno grupo deles.
Colônias de micro-robôs resultarão em grande flexibilidade e adaptabilidade do sistema a vários ambientes e maior resistência a falhas. Além disso, seu comportamento coletivo abre novos campos de aplicação, que não podem ser resolvidos com as ferramentas disponíveis atualmente.
Sensores
Com um sistema de posicionamento adequado, possivelmente baseado no que é utilizado pelos insetos, incorporando sensores tácteis e um pequeno mas efetivo sistema de visão, os agentes individuais serão capazes de comunicar-se uns com os outros e então permitir e induzir o desejado efeito de colônia.
Os pesquisadores acreditam que eventualmente os robôs I-Swarm poderão ser produzidos em massa com uma técnica similar à que está sendo utilizada para a fabricação de circuitos eletrônicos plásticos flexíveis.

Discussões à parte, o fato é que os sistemas inteligentes na escala milimétrica, ou menor, poderão viabilizar a chamada computação ubíqua - em todos os lugares - que muitos especialistas afirmam ser o futuro da informática.