USP e UFSCar pesquisam como a inteligência artificial pode otimizar o desenvolvimento de vidros

Primeiros resultados obtidos pelos pesquisadores das duas instituições já foram publicados em uma das principais revistas da área de Engenharia de Materiais

O professor Edgar Zanotto e o pós-doutorando Daniel Cassar, da UFSCar, estabeleceram parceria com o professor André de Carvalho, do ICMC-USP
(crédito da imagem: Mariana Pezzo/CCS-UFSCar)

Uma parceria científica bem-sucedida está acontecendo no interior do Estado de São Paulo com a união de conhecimentos entre pesquisadores que estudam materiais vítreos e os que atuam na área de inteligência artificial. Os primeiros resultados geraram um artigo, publicado na última edição de uma das principais revistas da área de Engenharia de Materiais, a Acta Materialia. 

Segundo os pesquisadores, o artigo é o primeiro do mundo que aborda o emprego de uma das técnicas de inteligência artificial, as redes neurais artificias, para prever a temperatura de transição vítrea em vidros, especificamente vidros inorgânicos não metálicos. É também o terceiro artigo que fala sobre o emprego de redes neurais para estudar materiais vídeos. Intitulado Predicting glass transition temperatures using neural networks, o trabalho é assinado por três pesquisadores: Edgar Dutra Zanotto, docente do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar); André de Carvalho, professor e vice-diretor do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos; e Daniel Roberto Cassar, pós-doutorando do Laboratório de Materiais Vítreos da UFSCar. 

Para entender a relevância desse artigo, é preciso compreender que as redes neurais artificiais são técnicas computacionais que apresentam um modelo matemático inspirado na estrutura neural de organismos inteligentes, os quais adquirem conhecimento por meio da experiência. Por isso, os especialistas da área de computação precisam inserir vários dados nessas redes e treiná-las para que possam realizar a tarefa que é esperada. 

Mas antes de explicar como essas redes neurais podem ser fundamentais para otimizar o desenvolvimento de novos materiais vítreos, é necessário entender também como os materiais vítreos são desenvolvidos. 

No ICMC, o professor André de Carvalho está orientando mais duas pesquisas de doutorado e outras duas de pós-doutorado relacionadas a aplicações de inteligência artificial na área de materiais vítreos

Como nascem os vidros – Os vidros podem ser obtidos a partir de composições incluindo quase todos os elementos químicos da tabela periódica, que geralmente passam por um processo de aquecimento e fusão e, depois, de resfriamento rápido. Como há uma vasta possibilidade de fazer diferentes composições químicas, os materiais vítreos que surgem desses processos também possuem uma grande variação em suas propriedades mecânicas, óticas, térmicas, elétricas e químicas. É por isso que os vidros podem ser utilizados em inúmeras aplicações. 

No entanto, esse universo abrangente gera também grandes desafios. Os especialistas estimam que existam 10 elevado a 52 composições vítreas possíveis e, até hoje, apenas 10 elevado a 5 vidros foram, de fato, produzidos nos laboratórios e indústrias de todo o mundo. Esses números dão a dimensão do quanto essa área ainda precisa ser pesquisada. "Do jeito que fazemos hoje, que apelidamos de mix and get lucky – misturar e ter a sorte de encontrar uma composição com novas propriedades –, é impossível chegarmos até 10 elevado a 52, mesmo se todos os habitantes da Terra fizerem um vidro diferente todos os dias durante milhares de séculos. Além da escala temporal, há também a questão econômica", explica Edgar Dutra Zanotto, que é diretor do Centro de Pesquisa, Tecnologia e Educação em Materiais Vítreos (CeRTEV), um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) apoiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). 

Diante desse desafio, há cerca de dois anos o pesquisador começou a pensar em utilizar ferramentas computacionais da área de inteligência artificial, incluindo as redes neurais artificiais, para facilitar a busca por desenvolver novos materiais vítreos. Naquele momento, Zanotto não sabia se a ideia poderia dar certo, pois não tinha nenhuma experiência prévia em inteligência artificial. Foi a partir de uma conversa com o pós-doutorando Daniel Roberto Cassar, do Laboratório de Materiais Vítreos (LaMaV) – também coordenado por Zanotto e parte do CeRTeV –, que a situação mudou. 

Como nasceu a parceria – Interessado pela temática, o pós-doutorando fez um curso na área de inteligência artificial e começou a redigir um manuscrito junto com Zanotto, mas havia várias dúvidas e eles resolveram buscar a ajuda dos especialistas no assunto. Então, há cerca de um ano, juntou-se ao time o pesquisador André Carlos Ponce de Leon Ferreira de Carvalho, docente do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, e, com ele, mais um Cepid, o Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI), do qual Carvalho é pesquisador.

Com a parceria, os três pesquisadores conseguiram construir uma rede neural para prever a temperatura de transição vítrea de diferentes composições. Ou seja, essa ferramenta de inteligência artificial faz uma previsão do que vai acontecer quando vários elementos químicos são misturados bem como identifica o intervalo de temperatura em que essa composição passará por processos de transformação que gerarão um novo material vítreo. "Mesmo os profissionais mais experientes só conseguem estimar propriedades para misturas com até cinco ou seis elementos. Com mais componentes, eles interagem e as estimativas tornam-se muito complexas. Com essas redes inteligentes, poderemos desenvolver vidros sequer imaginados, com propriedades e aplicações exóticas. Vidros contendo até 10 elementos são relativamente comuns, mas há um universo a ser explorado: composições com 15 a 80 elementos, inacessíveis empiricamente. Trata-se de uma transformação radical", diz Zanotto. 

No artigo Predicting glass transition temperatures using neural networks, os três pesquisadores usaram 55 mil composições – obtidas em bases de dados com registros depositados durante mais de 50 anos – para treinar a rede neural. "Essas redes precisam de muitos dados de boa qualidade para aprender corretamente. Quanto mais dados, mais capacidade de generalização, e este foi outro grande esforço que precisamos fazer: extrair todos esses dados, treinar e validar a rede com eles", explica o diretor do CeRTEv. 

Hoje, o pioneiro Daniel Cassar já não é mais o único pesquisador a trabalhar com as redes neurais no grupo coordenado por Zanotto. Dois anos após a conversa inicial, já há um trabalho de conclusão de curso finalizado e outro em andamento, uma pesquisa de mestrado em andamento e um segundo pesquisador de pós-doutorado. Além disso, sob a orientação do professor André de Carvalho, no ICMC, estão sendo realizadas mais duas pesquisas de doutorado e outras duas de pós-doutorado. 

"Para nós, a rede é um produto, uma ferramenta para as nossas pesquisas em engenharia de materiais. Para o grupo do André, elas são o objeto de pesquisa, e eles já estão, por exemplo, estudando qual o melhor algoritmo para resolver um mesmo problema", conta Zanotto. "Já temos algumas redes treinadas, envolvendo diferentes propriedades de vidros, e uma pesquisa que é anterior às próprias redes, relacionada ao tratamento dos dados para que não sejam inseridos registros com erro no treinamento da rede. É espetacular o avanço em pouco mais de um ano; estamos animados, cada nova propriedade, cada pesquisa abre um novo horizonte, é um tema infinitamente amplo, moderno e relevante", avalia. 

As atividades desenvolvidas também envolvem a frente da inovação, com a construção de softwares que permitam o uso das redes desenvolvidas por outros grupos na academia e na indústria. A partir da primeira rede desenvolvida por Cassar, o primeiro programa já está em desenvolvimento, em uma parceria com a empresa júnior de Computação da UFSCar (CATI Jr.). Nele, será possível inserir uma determinada composição química inorgânica, não-metálica, e prever a sua temperatura de transição vítrea. "Esta é uma aplicação com interesse principalmente científico. Mas, no futuro, quando unirmos as redes relacionadas às diferentes propriedades, poderemos ter a aplicação inversa, com uma relevância muito grande para a indústria. Com essas redes inversas, será possível dizer ao software quais propriedades são desejadas, e ele sugerirá algumas composições com maior probabilidade de apresentar essas propriedades", finaliza Zanotto. 

Texto editado pela Assessoria de Comunicação do ICMC a partir de informações da Coordenadoria de Comunicação Social da UFSCar 

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Link para o artigo: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418306542

Assessoria de Comunicação do ICMC: (16) 3373.9666 

E-mail: comunica@icmc.usp.br

Do laboratório à mesa de bar: Pint of Science registra recorde de público em São Carlos

Cerca de 1,4 mil pessoas participaram de divertidos bate-papos científicos durante as três noites do festival que chegou a sua terceira edição no município

"Socorro: fui hackeado e o drone sumiu" foi o título da bate-papo coordenado pela professora Kalinka durante a última noite do Pint of Science em São Carlos (crédito: Henrique Fontes)

É quarta-feira, 17 de maio, e as cerca de 100 pessoas que lotam um bar no centro da cidade de São Carlos, interior de São Paulo, estão correndo o risco de ter seus celulares hackeados. O sorriso no rosto e os olhares tranquilos de quem está no local não condizem com o que fizeram momentos antes: autorizaram essa invasão em seus aparelhos. Parece loucura, mas todos ficaram vulneráveis ao conectarem os telefones em uma rede de internet aberta sem ler o termo de compromisso. 

Essa experiência foi realizada durante um bate-papo sobre segurança virtual, no festival de divulgação científica Pint of Science, em São Carlos, um dos 22 municípios brasileiros que participaram da iniciativa juntamente com cidades espalhadas por outros 10 países. Antes dos clientes chegarem ao bar para o evento, a professora Kalinka Castelo Branco, do Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, disponibilizou uma rede Wi-Fi livre para os participantes. Porém, entre as condições para utilizá-la, estava a concordância com um termo em que os usuários permitiam que os smartphones conectados fossem invadidos, além de autorizar que um drone sobrevoasse suas cabeça. 

No final do evento, ao revelar o conteúdo do termo ao público, ficou evidente que ninguém havia lido as informações antes de clicar na caixa “aceito” e se conectar. Para exemplificar o que poderia acontecer com aquelas pessoas, um dos estudantes orientados por Kalinka hackeou o celular da professora e exibiu no telão as imagens que a câmera do aparelho captava. “Fizemos isso para mostrar como estamos vulneráveis no mundo virtual e como podemos nos prevenir de possíveis crimes”, diz Kalinka. 

No bate-papo, os convidados puderam falar um pouco sobre as pesquisas que estão sendo desenvolvidas para ajudar a proteger a população dos hackers. “É muito importante a sociedade ter a oportunidade de debater esse tema que, muitas vezes, passa por questões morais e éticas envolvendo a tecnologia”, afirma Natássya da Silva, doutoranda do ICMC e uma das participantes do debate. 

Aquela noite foi a primeira vez que a estudante teve a oportunidade de falar com o público num lugar descontraído, fora da universidade: “É mais tranquilo do que eu imaginava, o pessoal participou e deixou a gente à vontade para contar as novidades que acontecem no nosso mundo”. Além de Natássya, participaram da conversa o advogado Guilherme Guimarães, que falou um pouco sobre os diferentes tipos de crimes virtuais, e o estudante Marcelo da Silva, que faz Ciências de Computação no ICMC. 

Recorde de público: 1,4 mil pessoas participaram da iniciativa em São Carlos; nas 22 cidades
do país, o festival alcançou cerca de 20 mil brasileiros (crédito: Rogério Gianlorenzo)

Mergulhando no mundo dos vidros – “Ele brilha, tem de todas as cores, é transparente, é lindo!”, enfatiza o professor da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), Edgar Zanotto, após sua apresentação sobre a importância e as curiosidades do universo vítreo, realizada no dia 16 de maio em outro restaurante da cidade. Coordenador do Centro de Pesquisa, Educação e Inovação em Vidros (CeRTEV), ele conta que, se não fosse o material, não existiriam telescópios, microscópios, celulares, óculos, entre outros objetos. Não haveria nem mesmo o projeto Sons Vítreos, criado pelo Núcleo Ouroboros de Divulgação Científica da UFSCar. No projeto, os participantes utilizam diversos instrumentos feitos do material milenar em suas apresentações. No Pint of Science, eles empolgaram o público ao encerrar a noite com seus sons singulares. 

Para Zanotto, vidros podem ser sólidos ou líquidos, depende do ponto de vista
do observador (crédito: Paulo Arias)

De acordo com Zanotto, apesar de existir uma infinidade de utilidades já conhecidas para o vidro, ainda há muito a ser explorado. Atualmente, são contabilizados cerca de 400 mil tipos de vidros no mundo, porém, segundo o especialista, é possível produzir outros 1052 modelos do material: “É um campo da ciência com seis mil anos de história, mas que ainda está na infância e existem poucas pessoas no mundo pesquisando o assunto”. 

Ao estrear no Pint of Science, Zanotto confessou à plateia: “Já dei muitas palestras no Brasil e no mundo. Mas nunca falei em um bar”. Logo depois de passar por essa primeira experiência, ele aprovou a proposta. “O desconhecimento da sociedade pela ciência é enorme. Pergunte a qualquer pessoa o nome de um jogador de futebol. A resposta, provavelmente, irá variar entre 10 e 50 atletas. Agora, se você pedir o nome de um cientista, dificilmente lembrarão de um pesquisador brasileiro”, lamenta o docente. Também estiveram na mesa sobre vidros a professora Andrea Bernardez, do Instituto de Física de São Carlos (IFSC), e a professora Ana Candida Rodrigues, da UFSCar. 

Projeto Sons Vítreos finalizou o bate-papo sobre a era do vidro (crédito: Paulo Arias)

Levando o Brasil à Lua – Outro bate-papo que mobilizou o público em São Carlos abordou a Missão Garatéa, a primeira missão lunar brasileira que promete levar uma sonda à Lua até 2021 para estudar a vida fora da Terra. Bactérias serão enviadas ao espaço para que os cientistas analisem possíveis alterações genéticas que um ser vivo pode sofrer após um período em órbita no nosso satélite natural. Os desafios das pesquisas nessa área foram discutidos pelo engenheiro espacial Lucas Fonseca, o jornalista Salvador Nogueira, o mestre em filosofia Alexey Dodsworth e o astrobiólogo Douglas Galante. 

Entre as pessoas que acompanharam a apresentação, que aconteceu na noite de 15 de maio, estava Duília de Mello, astrofísica e colaborada da NASA há 14 anos. Apaixonada por astronomia, a cientista exaltou o trabalho dos pesquisadores em levar o conhecimento às pessoas: “A ciência é responsável pela evolução da humanidade e conseguir transmiti-la é um dom. Quem não tem esse perfil, seria interessante que tentasse melhorar nesse aspecto e pensar em novos caminhos para divulgá-la. Isso é importante para motivar os jovens e as crianças, que são quem irão carregar o fascínio pela ciência”. 

Também fizeram parte do menu do Pint of Science em São Carlos temas como estatística no esporte (saiba mais), tecnologia no campo (saiba mais), novos medicamentos, depressão, ansiedade, autismo, hiperatividade, sustentabilidade, além de problemas matemáticos de um milhão de dólares. 

O futuro da humanidade no espaço foi um dos temas na abertura do evento (crédito: Paulo Arias)

Meu aspirador pensa – Para falar sobre a revolução das máquinas, o professor Fernando Osório, do ICMC, percorreu os cerca de 100 quilômetros que separam São Carlos de Ribeirão Preto. Lá, um dos assuntos que mobilizou o público durante o Pint of Science, na noite do dia 16 de maio, foi: “Meu aspirador pensa?”. 

Osório brincou com a plateia lançando questões instigantes: “Vocês têm ideia de quantos celulares já jogaram no lixo? E se todos esses aparelhos se revoltassem e viessem atrás de vocês?”. Ele conhece bem a dinâmica do evento, participou das duas edições anteriores do Pint of Science em São Carlos. “Para mim, é sempre um grande prazer interagir com as pessoas. É muito importante sair da zona de conforto ao expor e discutir ideias com um público diferente do que encontramos nas universidades”, afirma o pesquisador. 

O ambiente descontraído proporcionado pelo festival é o que mais encanta Osório: “Quando saímos da classe, não pensamos mais em provas, notas e avaliações. O fato de quebrar o padrão formal de uma sala de aula, colocando todos juntos em um bate-papo animado e com as perguntas mais variadas, é o que faz o Pint of Science tão especial”. 

O ambiente descontraído proporcionado pelo festival é o que mais encanta
Osório (crédito: equipe Pint of Science Ribeirão Preto)

Divulgar a ciência é preciso – Cerca de 20 mil pessoas participaram do festival de divulgação científica este ano nas 22 cidades brasileiras que realizaram a iniciativa nas noites de 15, 16 e 17 de maio. “O sucesso do festival em todo o país mostra que a população quer, de fato, saber sobre ciência e que os cientistas querem falar com a sociedade. Bastava ser criado um canal para isso, tal como o Pint of Science fez”, afirma Natalia Pasternak, coordenadora nacional do festival. 

“O Pint of Science é uma excelente oportunidade de aprendizado para os cientistas por desafiá-los a traduzirem a ciência em uma linguagem simples e acessível para todos”, explica Denise Casatti, coordenadora do evento em São Carlos. “Os cientistas estão acostumado a falar para seus pares, que já conhecem o jargão técnico e os conceitos básicos de sua linha de pesquisa. Mas falar em um bar para o cidadão comum não é fácil, especialmente porque é preciso disputar a atenção com o barulho do liquidificador e com todas as demais distrações típicas desse ambiente”. 

Para Natalia, o festival também serve de motivação para que o cientista olhe para seus projetos com outros olhos, instigando-o a imaginar como a sociedade enxerga sua pesquisa, que dúvidas teria e a importância do que faz. Para ela, o caminho para estabelecer a cultura científica da população é encontrar novos meios de divulgar a ciência: “Precisamos criar mais canais, em formatos diferentes, que atinjam públicos diversos, durante o ano todo. Falar de ciência é necessário e divertido”. 

Para realizar o festival, uma rede de voluntários foi mobilizada, unindo profissionais de diferentes áreas do conhecimento e de diversas instituições de ensino e pesquisa, que estão buscando aprimorar a iniciativa a cada ano. Na capital da tecnologia, o evento foi realizado pelo ICMC e contou com a colaboração da Embrapa, da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) e da regional do interior paulista da Sociedade Brasileira de Química. 

Em âmbito nacional, o festival foi patrocinado pela Pró-Reitoria de Pesquisa da USP, Verakis, e por cinco Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão, financiados pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo: o Centro de Pesquisa em Engenharia e Ciências Computacionais; o Centro de Pesquisa e Inovação em Biodiversidade e Fármacos; o Centro de Pesquisa, Educação e Inovação em Vidros; o Centro de Pesquisa em Obesidade e Comorbidades; e o Centro de Ciências Matemáticas Aplicadas à Indústria (CeMEAI). 

Para Natalia, festival contribui para mostrar que falar de ciência é necessário
e divertido (crédito: Henrique Fontes)

Texto: Henrique Fontes – Assessoria de comunicação do Pint of Science Brasil 

Mais informações 

Site do festival: www.pintofscience.com.br

Confira o vídeo com a íntegra do bate-papo “Esporte e estatística: uma parceria que dá jogo”: icmc.usp.br/e/26c71

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