Engenharia de Controle e Automação: Nanotecnologia e Computação Cognitiva

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Universidade Anhanguera de São Paulo – Santo André
Erik Fernando de Oliveira
Engenharia de controle e automação e os avanços da nanotecnologia e da computação cognitiva
Trabalho apresentado, como exigência parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia, na Anhanguera Educacional, disciplina Engenharia e Profissão sob a orientação do prof. Marco Antônio Martins.
Professor: Marco Antônio Martins
Santo André
2017
Universidade Anhanguera de São Paulo – Santo André
Erik Fernando de Oliveira
	
Engenharia de controle e automação e os avanços da nanotecnologia e da computação cognitiva
Santo André
2017
Engenharia de Controle e Automação
A Engenharia de Controle e Automação integra diversas áreas em um mesmo projeto para desenvolver ou aperfeiçoar produtos e processos. Ela utiliza o conhecimento da elétrica, eletrônica, computação e mecânica para tornar a produção industrial e demais processos mais rápidos, seguros e eficientes. O engenheiro de controle e automação é o profissional que desenvolve os projetos para melhoria e diminuição dos custos de uma produção, gerencia processos industriais e trabalha na produção e manutenção de equipamentos automatizados. O profissional dessa área pode atuar nos vários campos da automação industrial e desenvolvimento de sistemas mecânicos, tais como indústria manufatureira (automobilística, aeronáutica, naval, eletroeletrônica, de eletrodomésticos etc.), indústria de processos (químicos, de alimentos etc.), bioengenharia, na área de matrizes energéticas e na robótica.
Outros exemplos de atuação do engenheiro de controle e automação é na área econômica ou na área gerencial, utilizando seus conhecimentos de gestão para empreender uma indústria, ou sua visão sistêmica e a capacidade de considerar as diversas variáveis em processos financeiros. Na saúde pública, para controle de epidemias. Em veículos, para controle automático de velocidade. Em projetos de fornos elétricos, para controle de temperatura. No campo aeroespacial, em que se insere o Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), para projeto de leis de controle de voo.
Os eletrônicos e sistemas automatizados se tornaram muito presente na nossa vida e eles influenciam no nosso dia a dia, não só indiretamente, mas em atividades comuns que quase não percebemos a presença desses sistemas automatizados, como em nossos eletrodomésticos, travas e portões eletrônicos, sensores de temperatura, celulares, sistemas integrados de multimídia, semáforos inteligentes, câmeras de vigilância e outros objetos que facilitam a vida dentro e fora das residências.
Não só por causa desse grande crescimento da utilização de eletrônicos nas atividades diárias que a engenharia de controle e automação tem se popularizado, mas as novas descobertas e novos meios de produção tem abrido portas para novas áreas de atuação desse profissional. Pesquisas na área de nanotecnologia, biotecnologia, robótica, e a chamada “revolução cognitiva”, termo que alguns cientistas usam para descrever essa época de avanço da computação, mais especificamente na área de inteligência artificial, estão expandindo as fronteiras de atuações e especializações ligadas à engenharia de controle e automação. Se pelo lado positivo nosso cosmos profissional se expande, em contraponto muita coisa fica obsoleta rapidamente.
Nanotecnologia
Com os primeiros circuitos integrados, iniciou o desafio de incorporar o maior número de transístores em um menor espaço possível para a fabricação de chips. Em 1971 o Intel 4004 (C4004 P0339) possuía 100 circuitos em 1mm² (um milímetro quadrado) já que a menor distância entre os circuitos eram de 10 µm (dez micrômetros). Atualmente já é possível encaixar nesse mesmo espaço cerca de 100 mil circuitos com a distância de 10nm (dez nanômetros) entre eles, um espaço 10.000 (dez mil) vezes mais fino do que um fio de cabelo, com isso começamos a entrar na escala molecular de fabricação, comparando com a fita de DNA, por exemplo, que tem cerca de 2,5nm (dois nanômetros e meio) de largura.
Figura 1 - Escala comparativa de dimensões
Fonte Nanomateriais – Dispinível em: < https://nanomateriais.files.wordpress.com/2015/09/216_2.gif> – Último acesso em: 03/04/2017
Em 1959 o físico Richard Feynman deu uma palestra na CalTtech chamada “Tem bastante espaço lá em baixo”, onde ele explicou como ainda estávamos longe de manipular átomos. A palestra ficou famosa quando foi redescoberta em 1986 com o livro “Engines of creation” de Eric Drexler. No livro, Drexler imagina um mundo onde máquinas moleculares são capazes de manipular átomos nessa escala dos nanômetros, o que ele chamou de nanotecnologia. 
Figura 2 – Nanomáquina
Fonte: Inovation Goup: Center of nanotechnology in society – Disponpivel em: < http://innovate.ucsb.edu/wp-content/uploads/2010/06/Engines-of-creation-cropped.jpg> – Acesso em:03/04/2017
No entanto, ainda estamos longe de criar e controlar máquinas nessa escala. Comparado com a forma que os seres vivos manipulam a matéria - de molécula em molécula até se acumularem em grande escala - nossa produção ainda é muito grosseira. Exemplificando, uma estrutura biológica como uma concha é criada átomo por átomo e cresce enquanto é feita, por isso uma ostra pode fazer uma concha com cristais de Cálcio, tão bem organizados que forma um matéria dura, já nós construímos a partir de um material maior para se obter algo menor com muito mais desperdício no processo, misturamos ingredientes para fazer os componentes de uma chapa de aço por exemplo, pra só depois moldarmos o aço da forma que desejamos 
Desde 2006 aprendemos a criar sequências de DNA que se combinam em formatos específicos, já temos também caixas com tampas que abrem e fecham, com medicamento dentro e que podem ser programadas para fazer isso em uma situação específica como abrir e liberar um medicamento em uma célula tumoral ou até funcionarem como “andadores” de DNA que conseguem carregar uma molécula de um lugar a outro. 
Figura 3 - smart Nanobox
Fonte site MedGadget – Disponpivel em: < http://2nznub4x5d61ra4q12fyu67t.wpengine.netdna-cdn.com/img/daanbox.jpg> – Acesso em:03/04/2017
Também estamos a transformar a manipulação de átomos em realidade usando laser, ao ponto que a IBM fez um filme com essa técnica. São os primeiros passos do que Drexler chama de fabricação com precisão atômica em seu livro mais recente “Radical abundance”, usando máquinas para criar máquinas cada vez menores até conseguirmos manipular moléculas. 
Figura 4 - Filme em nível atômico
Fonte: Site IBM – Disponível em: < http://i.ytimg.com/vi/oSCX78-8-q0/maxresdefault.jpg> – Último acesso em: 03/04/2017
Nanomáquinas poderiam criar da escala menor para maior muito mais rapidamente, mantendo o ritmo de trabalho proporcional ao de um robô atual, segundo Drexler, uma legião de nanomáquinas poderiam construir algo do tamanho de um carro em questão de minutos. 
Figura 5 - Construção em escala atômica
Fonte: Site Tech Cantral – Disponível em: < https://www.techcentral.co.za/wp-content/uploads/2016/04/nanotech-640.jpg> – Último acesso em: 03/04/2017
Outra vantagem é a reciclagem ao nível molecular. Com nanomáquinas seria possível construir eletrônicos a partir do material encontrado no lixo e reciclar de verdade os equipamentos usados, aproveitando até os últimos átomos. Desmanchar o lixo em componentes atômico seria uma ótima forma de reaproveitar a enorme quantidade de ouro, prata e cobre que desperdiçamos todos os dias misturados em nosso lixo
Computação cognitiva 
A ideia de construir agentes artificiais capazes de imitar comportamentos humanos não é recente. Há inúmeras histórias, ou estórias, de artifícios pensados para este fim, dentre os quais, os autômatos de Descartes e a máquina de jogar xadrez de Kempelen são exemplares clássicos. Independentemente do sucesso na realização de tais dispositivos, o simples fato de se pensar a respeito de máquinas capazes de imitar o humano traz inúmeras questões filosóficas e éticas, principalmente agora quando os avanços tecnológicosapontam para alguma possibilidade de êxito. 
 Modha (2011) afirma que a computação cognitiva tem por objetivo implementar uma teoria computacional unificada ao pensamento. Não se monta uma coleção de soluções fragmentadas, em que cada solução é desenvolvida de maneira independente. 
Para Lima (2003 apud Jannuzi et al., 2005), essa tecnologia consiste em sistemas cujo objetivo é mimetizar as tarefas mentais humanas, como percepção, linguagem, aprendizado, pensamento produtivo e memória. Esses processos cognitivos geram conceitos, e a compreensão destes conceitos gera conhecimento. 
Vargas; Guimarães (2006), reforçam o conceito de cognição, definido em uma publicação que estuda a relação homem x tecnologia x trabalho. Uma atividade cognitiva não pode ser vista como uma atividade individual. A atividade cognitiva está em constante transição e evolução a partir de novas demandas, constrangimentos e tecnologias.
Os estudos dos processos cognitivos abordam uma série de processos, entre eles entender, pensar, lembrar, tomar decisões e muitos outros. Estes podem ser interpretados de acordo com as funcionalidades, em especial do cérebro, mas também do corpo como um todo. (CARVALHO 2012).
Diferentes dos sistemas inteligentes comuns no nosso dia a dia, como semáforos que através de sensores que detectam a intensidade do fluxo de carros e através de uma lógica programada executa a sinalização de maneira mais eficiente, o desenvolvimento de um sistema cognitivo artificial vai além disso e busca atender as diversas aplicações provenientes da ciência cognitiva como: Sistemas especialistas, (que apresentam capacidade de explicar o raciocínio do usuário, adquirir novos conhecimentos e interagira com usuários humanos); Sistemas de aprendizagem; Lógica difusa, (um sistema que combina as incertezas associadas aos eventos humanos e o poder de processamento das máquinas, produzindo então respostas eficientes); Algoritmos genéticos, (que simulam o processo evolutivo natural de um ambiente que tem como objetivo prever soluções para um determinado problema); Redes Neurais, (um sistema de processamento de informação, formados por diversos elementos computacionais que se comunicam por meio de conexões com pesos distintos. As redes neurais conseguem aprender padrões complexos de dados e generalizar a informação aprendida); e Agentes inteligentes, (que selecionam uma ação que maximiza o desempenho dado a percepção de ações a partir do conhecimento prévio do agente).
Figura 6 - Conceito de cognição artificial
Fonte: Site Ideia de Marketing – Disponível em: < http://www.ideiademarketing.com.br/wp-content/uploads/2016/11/int.jpg> – Último acesso em: 03/04/2017
Empresas de grande porte da área de tecnologia da informação, como IBM, desenvolvem sistemas cognitivos com o propósito de auxiliar especialistas humanos a tomar melhores decisões, em meio à complexidade dos grandes volumes de dados. Os sistemas cognitivos aprendem e interagem com os seres humanos.
Figura 7 - IBM Watson
Fonte: Site Geek Wire – Disponível em: < http://www.geekwire.com/wp-content/uploads/2016/02/160217-watson.jpg> – Último acesso em: 03/04/2017
A integração da biotecnologia com a nano-robótica 
Os recentes avanços em computação biomolecular e a confecção em escalas nanoscópicas de componentes eletrônicos, sensores e motores, servem de base para a construção de máquinas biomoleculares.
Após os primeiros passos em direção a engenharia molecular dos anos 80 e 90 no sentido de se construir blocos de peças em escala nanoscópica, atualmente nos deparamos com um desafio mais complexo de se avançar a próxima etapa no desenvolvimento em nanotecnologia, no sentido de se construir bionano-eletrônicos e nanomáquinas. Nanorobôs teriam tamanhos aproximados de 1micron, ou seja, 6 vezes menor que o tamanho aproximado de um glóbulo vermelho, a partir de tal produção nanotecnológica o próximo passo para essa área é a hibridização de sistemas biológicos e eletrônicos.
Figura 8 - Lentes de contato com nanosensores
Fonte: Site Engenharia do futuro – Disponível em: < http://engdofuturo.com.br/wp-content/uploads/2014/01/lent.png> – Último acesso em: 03/04/2017
Como abordagem prática para o estudo e apresentação de novos paradigmas aplicados à engenharia biomédica em nanotecnologia, pretende-se através de experimentos computacionais modelar e validar fisicamente o comportamento de nanorobôs em ambientes tridimensionais dinâmicos incorporando aspectos inerentes ao corpo humano a serem contemplados para a operação de nanorobôs.
Luiz Alberto Oliveira, professor e pesquisado da CBPF no Rio de Janeiro, em uma entrevista concedida à revista on-line IHU, em Dezembro de 2007, diz que: 
“De fato, as três grandes promessas de inovação tecnológica para o século XXI, a saber, a Robótica (a produção de sistemas capazes de comportamento autônomo), a Biotecnologia (a manipulação dos componentes dos seres vivos, inclusive seu código genético) e a Nanotecnologia (a fabricação de dispositivos moleculares), compartilham tanto um fundamento comum - a crescente capacidade de manipular objetos microscópicos - quanto a abertura de uma dupla possibilidade: a de engendrar novos tipos de ‘vida’, quer dizer, de sistemas capazes de replicar-se e evoluir, e a de incluir, como matéria-prima para a inovação técnica, nossos próprios corpos e mentes. Estamos a caminho de poder redesenhar a forma humana e as formas da vida.”
A integração da biotecnologia com a nanorobótica ainda é um conceito especulativo e teórico, mais podemos cogitar pesquisas na área pois para muitos cientistas não estamos muito longe da hibridização homem-máquina ou de sistemas autômatos de capacidade evolutiva. Com o desenvolvimento da Inteligência Artificial, a Robótica mudaria de enfoque, da automação para a autonomia. A simples automatização mecânica derivaria rumo à elaboração de sistemas industriais cada vez mais independentes e autossuficientes, com capacidades abrangendo desde a aquisição de insumos até a distribuição dos produtos acabados.
Figura 9 - Interface das bionanomáquinas
Fonte: Site Max Planck Institute – Disponível em: <https://www.fkf.mpg.de/147358/header_image_sans_both-1335270912.jpg> – Último acesso em: 03/04/2017
Conclusão
Contudo, a graduação em engenharia de controle e automação é o primeiro passo para a introdução à equipe científica, de produção e de gestão responsável pelas constantes evoluções tecnológicas nesse novo mundo em progresso contínuo e acelerado, aonde novas maneiras de pensar e mudanças no modelo social e econômico surgem a cada momento, e é preciso sempre estar se atualizando para acompanhar esse desenvolvimento.
Hoje temos sistemas automatizados que substituíram ou modificam o modo de trabalho antigo e no futuro próximo nossa própria realidade provavelmente mudará decorrente às novas tecnologias, portanto cabe ao engenheiro de controle e automação, não apenas acompanhar essas mudanças e aplicar seus conhecimentos na produção industrial, mas o dever de inclusão social e preservação do meio ambiente para que essas novas teorias se concretizem e a evolução continue.
Com uma otimização nos processos de produção o valor dos produtos será contabilizado muito mais pela criatividade do design do que pela produção em si e a otimização alcançará a maioria, senão todos, os aspectos ligados à sustentabilidade do planeta, como os setores de matrizes energéticas, recursos naturais, sistemas hídricos e de saneamento básico, agricultura sustentável, entre outros, promovendo assim a sobrevivência não só de nossa espécie mas de todos os ecossistemas da biosfera.
 Bibliografia
Guia de profissões Unesp – Engenharia de controle e automação – Mais segurança e eficiência aos processos – Site TVUnesp – Disponível em: <http://www.tv.unesp.br/edicao/1455> – Último acesso em: 02/04/2017
Áreas de atuação. Ciências da Engenharia - Academia Brasileira de Ciências com apoio da FAPERJ. – Site: ProfiCiência – Disponível em: <http://proficiencia.org.br/rubrique.php3?id_rubrique=57> - Último acessoem: 02/04/2017
Nanorobótica – Fonte: CAN Centro de Automação e Nanobiotecnologia – Disponível em < http://www.nanorobotdesign.com/nanorobotica/> – Último acesso em: 02/04/2017