Processador molecular faz cálculos usando DNA

Pesquisadores construíram um computador molecular, no qual os transistores eletrônicos foram substituídos por moléculas de DNA.


Processador de DNA


Lulu Qian e Erik Winfree, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, usaram mais de 100 fitas de DNA para construir seu circuito bioquímico.
As fitas de DNA foram dispostas em múltiplas camadas, formando "circuitos" digitais que podem executar as operações AND, OR, NOR e outras operações lógicas semelhantes.
O projeto representa mais um passo da chamada computação molecular, que demonstra como circuitos bioquímicos mais sofisticados podem ser construídos em escalas cada vez maiores.

Computador utiliza DNA em lugar de transistores

A grande vantagem do uso de DNA, em relação a outras abordagens de computadores químicos, é que essas moléculas são muito estáveis e bem-conhecidas pelos cientistas, havendo muitos recursos técnicos para manipulá-las.

Integração com a biologia

A expectativa dos cientistas é que as pesquisas se encaminhem para a integração desses circuitos em sistemas biológicos, como uma célula viva, por exemplo, para diagnosticar e tratar doenças.
O processador de DNA executa operações lógicas por meio da ligação e replicação das sequências de DNA. [Imagem: Science/AAAS]O processador de DNA agora construído executa operações lógicas por meio da ligação e replicação das sequências de DNA.
Embora pesquisadores japoneses já tenham demonstrado o princípio de um processador molecular capaz de superar os supercomputadores atuais, o circuito de DNA é bastante lento: ao longo de 10 horas, o processador molecular é capaz de calcular uma raiz quadrada de um número não maior do que 15.

O futuro da computação molecular

Quian e Winfree também construíram um "compilador" para o seu processador de DNA, que permite que seus circuitos bioquímicos sejam programados de forma similar à usada nos circuitos lógicos tradicionais.

Computadores moleculares ganham compilador e ficam mais amigáveis

Isto parece ser uma vantagem, embora ainda não esteja claro se o futuro da computação molecular será imitar os computadores eletrônicos, ou se eles tomarão seu próprio caminho - um processador molecular que imita o cérebro humano, por exemplo, opera naturalmente de forma paralela, fazendo cálculos muito mais rapidamente.

Biocomputadores terão velocidade determinada pelo alimento disponível

Bibliografia:
Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades
Lulu Qian, Erik Winfree
Science
3 June 2011
Vol.: 332 - pp 1196-1201
DOI: 10.1126/science.1200520
Scaling Up DNA Computation
Vol.: 332 - pp 1156-1157
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=processador-molecular-dna&id=010150110603&ebol=sim

Energia solar pode ser possível sem células solares

Bateria óptica


Um dramático e surpreendente efeito magnético da luz pode gerar energia solar sem as tradicionais células solares fotovoltaicas.
Usando este efeito, os pesquisadores descobriram uma maneira de construir uma "bateria óptica".
"Você pode olhar para as equações de movimento durante todo o dia e você não vai ver essa possibilidade. Todos aprendemos na escola que isso não acontece," conta Stephen Rand, da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.
"É uma interação muito estranha. É por isso que ela passou despercebida por mais de 100 anos," diz ele.

Magnetismo da luz

A luz tem componentes elétricos e magnéticos. Até agora, os cientistas acreditavam que os efeitos do campo magnético da luz eram tão fracos que eles poderiam ser ignorados.
O que Rand e seus colegas descobriram é que, na intensidade certa, quando a luz viaja através de um material que não conduz eletricidade, o campo de luz pode gerar efeitos magnéticos que são 100 milhões de vezes mais fortes do que o anteriormente esperado.
Nestas circunstâncias, os efeitos magnéticos da luz apresentam uma intensidade equivalente à de um forte efeito elétrico.
"Isso pode permitir a construção de um novo tipo de célula solar sem semicondutores e sem absorção para produzir a separação de cargas," afirma Rand. "Nas células solares, a luz entra em um material, é absorvida e gera calor."
"Aqui, esperamos ter uma carga térmica muito baixa. Em vez de a luz ser absorvida, a energia é armazenada como um momento magnético. A magnetização intensa pode ser induzida por luz intensa e, em seguida, é possível fornecer uma fonte de energia capacitiva," explica o pesquisador.
Retificação óptica

O que torna isto possível é uma espécie de "retificação óptica" que nunca havia sido detectada, afirma William Fisher, coautor da pesquisa.
Na retificação óptica tradicional, o campo elétrico da luz provoca uma separação de cargas, distanciando as cargas positivas das negativas no interior de um material. Isto cria uma tensão elétrica, semelhante à de uma bateria.
Este efeito elétrico só havia sido detectado em materiais cristalinos, cuja estrutura atômica apresenta uma certa simetria.
Rand e Fisher descobriram que, sob certas circunstâncias, o campo magnético da luz também pode criar retificação óptica em outros tipos de material.

Bateria solar
"Acontece que o campo magnético começa desviando os elétrons, forçando-os a assumir uma rota em formato de C, e fazendo-os avançar aos poucos," disse Fisher. "Esse movimento das cargas em formato de C gera tanto um dipolo elétrico quanto um dipolo magnético."
"Se pudermos configurar vários desses elementos em linha ao longo de uma fibra poderemos gerar uma tensão enorme; extraindo essa tensão, podemos usar a fibra como uma fonte de energia," explica ele.
Para isso, a luz deve ser dirigida através de um material que não conduz eletricidade, como o vidro. E ela deve ser focalizada a uma intensidade de 10 milhões de watts por centímetro quadrado.
A luz do Sol sozinha não é tão intensa, mas o cientista afirma que seu grupo está procurando materiais que trabalhem com intensidades mais baixas. Por outro lado, concentradores solares de alta eficiência já conseguem aumentar a concentração da luz em quase 2.000 vezes.
"Em nosso trabalho mais recente, mostramos que uma luz incoerente como a luz solar é teoricamente quase tão eficiente em produzir a separação de cargas quanto a luz de um laser," disse Fisher.

Do laser ao Sol

Segundo os pesquisadores, esta nova técnica poderia tornar a energia solar mais barata.
Eles preveem que, com materiais melhores, será possível alcançar uma eficiência de 10 por cento na conversão da energia solar em energia utilizável. Isso é praticamente equivalente à eficiência das células solares vendidas no comércio hoje, embora já existam células solares muito mais eficientes em escala de laboratório.
"Para fabricar as células solares modernas, você precisa de um enorme processamento dos semicondutores", defende Fisher. "Tudo o que nós precisamos são lentes para focar a luz e uma fibra para guiá-la. O vidro é suficiente para essas duas tarefas. Cerâmicas transparentes poderiam ser ainda melhores."
A seguir, os pesquisadores vão trabalhar na transformação da luz em eletricidade usando uma fonte de raios laser. A seguir eles trabalharão com a luz solar.
Recentemente, outro grupo de cientistas construiu um metamaterial capaz de interagir com o campo magnético da luz.

Bibliografia:
Optically-induced charge separation and terahertz emission in unbiased dielectrics
William M. Fisher, Stephen C. Rand
Journal of Applied Physics
Vol.: 109, 064903 (2011)
DOI: 10.1063/1.3561505
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=energia-solar-sem-celulas-solares&id=010115110426&ebol=sim

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Máquinas do tempo do futuro podem ser detectadas hoje!!

Paradoxo do avô

As viagens no tempo não são descartadas pela relatividade geral, embora possam criar problemas para as leis do senso comum.

Agora, uma equipe de físicos está propondo um novo modo de verificar a possibilidade ou a impossibilidade de estados quânticos que viajam para a frente e para trás no tempo.

O novo critério automaticamente desautoriza versões quânticas do "paradoxo do avô", segundo o qual uma pessoa viaja de volta no tempo e mata seu antecessor, garantindo assim a sua própria morte.

A equipe também realizou um experimento que ilustra o mecanismo de anulamento desse paradoxo.

Loops temporais

A relatividade geral, a teoria de Einstein do espaço e do tempo, permite a existência de loops temporais, as chamadas curvas temporais fechadas (CTCs na sigla em inglês: closed timelike curve) - rotas que avançam no tempo e, em seguida, voltam novamente para reconectar-se e formar circuitos fechados, também conhecidas como linhas lorentzianas do tempo.

Embora ainda não esteja claro se as CTCs podem ser criadas, os físicos têm explorado suas possíveis consequências, incluindo a sua influência na mecânica quântica.

Um evento quântico comum pode envolver duas partículas que se movem para frente no tempo, alterando-se mutuamente ao interagir em algum momento e, então, seguem caminhos separados rumo ao futuro.

No entanto, se uma das partículas, seguindo seu próprio futuro, entrar em uma CTC, ela pode voltar e reassumir sua posição como uma das partículas anteriores à interação - influenciando assim a sua própria transformação.

Estados quânticos

Em 1991, o físico David Deutsch, da Universidade de Oxford, propôs uma condição de consistência para evitar paradoxos nas viagens no tempo: uma partícula que volta no tempo desta forma, ao reaparecer no passado imediato à interação, deverá estar no mesmo estado quântico que estava quando partiu da interação para o futuro.

Para ver como essa condição funciona, imagine uma partícula quântica tendo estados chamados 0 e 1. Ela viaja em uma CTC e, em seu retorno, interage com uma partícula "externa" de tal forma que o 0 se torna 1 e o 1 se torna 0.

Tal partícula apresenta o paradoxo quântico do avô: quando ela volta pelo circuito, ela altera seu antigo "self" para o estado oposto.

No entanto, Deutsch mostrou que é possível alcançar a consistência se a partícula estiver em uma superposição- um estado que tem simultaneamente os dois valores, 0 e 1.

A interação altera o 0 em 1, mas o estado geral mantém-se inalterado. Para que isso funcione, a partícula externa também deve estar em uma superposição.

Universos paralelos

O paradoxo é evitado, mas o problema reaparece se a partícula externa for medida.

Nesse momento ela não poderá continuar em seu estado de superposição, devendo tornar-se definitivamente 0 ou 1 - o que significa que a partícula na CTC também não poderá permanecer em uma superposição.

Para preservar a coerência, Deutsch argumentou que a partícula CTC deve existir em dois universos paralelos - um "universo 0" e um "universo 1" - e continuamente alternar entre esses dois universos, de modo que nenhuma contradição ocorra em qualquer um deles.

Lorenzo Maccone e seus colegas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos EUA, e da Universidade de Pavia, na Itália, propõem uma condição mais rigorosa que evita essas dificuldades.



A equipe descobriu que somente os fótons que não geram os paradoxos passaram incólumes pelo experimento. Impossibilidade de alterar o passado

Eles exigem que qualquer medição da partícula que está indo para o futuro produza o mesmo resultado gerado em sua medição quando ela retornar do passado.

Assim, não se permite qualquer estado que possa alterar o passado quando ela voltar no tempo, impedindo o surgimento do paradoxo do avô.

Talvez de forma surpreendentemente, Maccone afirma que "nós ainda podemos ter CTCs mesmo com essa condição forte."

De antemão, somente podem existir estados que evitem os paradoxos após a interação - por isso a equipe chama sua condição de "pós-seleção."

Simulação da viagem no tempo

Para demonstrar essas ideias, a equipe realizou um experimento com fótons, mostrando que a condição de consistência de fato escolhe estados específicos e destrói todos os demais.

Por falta de uma CTC real para realizar a pós-seleção, a equipe criou fótons em um estado quântico específico para a entrada, um estado onde a polarização não era conhecida e nem medida, mas tinha uma correlação com outra propriedade, associada com a trajetória do fóton.

Conforme o fóton atravessava o experimento, ele passou por mudanças que imitam a alternância de 0 para 1 que ocorre no imaginado arranjo da viagem no tempo.

A equipe descobriu que somente os fótons que não geram os paradoxos passaram incólumes pelo experimento.

Embora o resultado esteja de acordo com o esperado, ninguém havia simulado a viagem no tempo desta forma antes.

Detecção de futuras máquinas do tempo

Uma consequência estranha da pós-seleção é que, como a presença de um CTC anula completamente os estados paradoxais, ela pode impedir alguns estados que hoje parecem inócuos, mas que podem ter consequências inaceitáveis no futuro.

"Em princípio, pode-se detectar a existência futura de máquinas do tempo procurando-se por desvios atuais nas previsões da mecânica quântica," afirma Todd Brun, da Universidade da Califórnia do Sul, em Los Angeles.

Embora, segundo ele, seja difícil saber de antemão o que exatamente se deve medir em busca de tais desvios.


Viagem no tempo derrota a Mecânica Quântica

Bibliografia:

Closed Timelike Curves via Postselection: Theory and Experimental Test of Consistency
Seth Lloyd, Lorenzo Maccone, Raul Garcia-Patron, Vittorio Giovannetti, Yutaka Shikano, Stefano Pirandola, Lee A. Rozema, Ardavan Darabi, Yasaman Soudagar, Lynden K. Shalm, Aephraim M. Steinberg
Physical Review Letters
28 January 2011
Vol.: 106, 040403
DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.040403

Quantum mechanics near closed timelike lines
David Deutsch
Physical Review D
15 November 1991
Vol.: 44, 3197-3217 (1991)
DOI: 10.1103/PhysRevD.44.3197

Óculos eletrônicos usam lente de cristal líquido!!

A revolução dos óculos


Em 2009, um pesquisador da Universidade de Oxford, na Inglaterra, apresentou uma espécie de óculos universal.A ideia de nunca mais precisar trocar as lentes é tentadora. Mas o protótipo é esquisito, para dizer o mínimo, e exige nada menos do que uma seringa para que o grau seja ajustado.
A ideia do Dr. Ronald Blum parece estar mais alinhada com o estado da arte da tecnologia. Mas que ninguém se engane: a ideia está sendo desenvolvida há 12 anos, segundo ele.
Finalmente, o oftalmologista empresário está colocando no mercado os seus óculos eletrônicos, batizados de emPower.

Óculos eletrônicos

O objetivo dos óculos eletrônicos é um pouco menos ambicioso do que o dos óculos universais alimentados a seringa d'água: eles visam substituir os óculos bifocais ou multifocais.
O efeito é o mesmo, com a diferença de que a pessoa pode ligar e desligar a porção da lente ajustada para a visão de perto, deixando todo o campo de visão livre quando se quer olhar para longe.
As lentes são fabricadas com uma camada interna de cristal líquido, o mesmo material usado nas telas de computadores e TVs. Essa camada está restrita à área onde normalmente fica a lente para visão de perto.
O cristal líquido é controlado por um circuito eletrônico miniaturizado, inserido dentro da armação dos óculos. Na superfície da armação, um sensor de toque funciona como chave liga-desliga do cristal líquido.
No modo automático, acelerômetros detectam quando a pessoa inclina a cabeça, ajustando automaticamente o foco para visão de perto. [Imagem: PixelOptics]Quando o usuário quer ler ou enxergar algo muito próximo, ele toca na lateral dos óculos e o circuito eletrônico envia uma corrente elétrica que muda a orientação das moléculas de cristal líquido.
Esse ajuste do cristal líquido muda a forma como a lente refrata a luz - exatamente o mesmo que se faz ao variar a espessura das lentes comuns para dar-lhes o seu grau.

Óculos automáticos

Mas tudo isso pode ser feito automaticamente. Como um bom equipamento eletrônico de última geração, o emPower possui acelerômetros que detectam quando a pessoa inclina a cabeça, ajustando automaticamente o foco para visão de perto.
As lentes eletrônicas serão fabricadas pela Panasonic, e os óculos eletrônicos serão vendidos pela empresa do Dr. Blum, a PixelOptics.
Os preços deverão variar entre US$1.000 e US$1.200, segundo a empresa, para o conjunto completo, incluindo o carregador das baterias internas dos óculos - cada carga, garante Blum, dura de dois a três dias, dependendo do uso.
Segundo a empresa, não há previsão de venda dos óculos eletrônicos no Brasil.

Microrrobôs voadores não precisam imitar complexidade do voo dos insetos

Veículos aéreos autônomos

No futuro, minúsculos veículos aéreos autônomos serão capazes de voar através de fissuras no concreto para procurar vítimas de terremotos, monitorar áreas contaminadas ou edifícios em risco de colapso.
Mas, no presente, o problema ainda está em projetar o melhor mecanismo que faça essas micromáquinas capazes de voar de forma eficiente.
Pequenos robôs voadores que imitam o bater de asas dos insetos ou dos pássaros têm sido a escolha preferida dos pesquisadores.
O problema é que eles geralmente exigem uma combinação complexa de movimentos para que suas asas lhes deem sustentação e capacidade de manobra.
E mecanismos complicados resultam em maior peso, menor autonomia das baterias e menor autonomia.

Linha experimentalista

O Dr. Robert Wood, da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, acredita que a saída é testar inúmeras combinações de asas e técnicas de movimento.
Wood e sua equipe estão tentando entender como o design das asas pode afetar o desempenho de um microveículo voador do tamanho de um inseto.
"A grande ênfase do nosso programa é o lado experimental do trabalho," afirma Wood. "Nós temos capacidades únicas para criar, operar e visualizar asas nas escalas e frequências de insetos reais."
O grupo está construindo asas e colocando-as para bater em altas frequências, recriando trajetórias similares às que os insetos fazem ao voar.
Durante os testes, equipamentos especiais medem vários componentes de força, permitindo a visualização dos fluxos de ar em torno das asas batendo a mais de 100 vezes por segundo.
As simulações concluíram que uma asa simples (em verde), batendo segundo um movimento senoidal, pode ser a melhor opção para dar sustentação aos microaviões robóticos. Os glóbulos em vermelho e azul mostram os fluxos de ar gerados durante o movimento.

Já Alexander Alexeev e Hassan Masoud, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, também nos Estados Unidos, acreditam que o melhor enfoque é estudar a teoria dos movimentos, para só depois partir para a prática.
A dupla usou simulações tridimensionais, feitas em computador, para examinar a sustentação e a aerodinâmica geradas pelo bater de asas flexíveis.
Ao bater as asas, os insetos conseguem uma capacidade de manobra e uma agilidade incomparáveis. Mas o fato é que a física associada com o bater das asas ainda não é totalmente compreendida, sobretudo em escalas muito pequenas.
"Quando você deseja criar veículos cada vez menores, a aerodinâmica muda muito e a modelagem se torna importante," defende Alexeev.
De forma surpreendente, suas simulações concluíram que os mecanismos complicados, que têm dificultado a construção dos insetos robóticos, talvez não sejam necessários.
Eles descobriram que a melhor alternativa é também a mais simples: um simples bater de asas oscilante, sem nenhum movimento adicional.
"Nós descobrimos que o bater de asas simples para cima e para baixo, na frequência de ressonância, é mais fácil de implementar e gera uma sustentação comparável à dos insetos alados, que usam um bater de asas significativamente mais complexo," afirma Alexeev.
Talvez os dois grupos tenham razão em suas abordagens individuais, já que o próximo passo natural depois da simulação é testar o conceito na prática.
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=microrrobos-voadores-voo-insetos&id=010180110106