O professor Oswaldo Luiz do Valle Costa, docente da Escola Politécnica da USP e pesquisador do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia para Sistemas Autônomos Cooperativos (InSAC), é um dos mais novos membros da Academia Brasileira de Ciências (ABC). Indicado e apoiado pelos pares, Oswaldo – que foi eleito pelos membros da entidade – tomou posse a distância no último mês de maio por conta da pandemia de Covid-19. 

Professor universitário há 30 anos, o cientista é membro da academia Nacional de Engenharia desde 2018, coautor de livros internacionais usados como referências em diferentes países e ainda conta com mais de uma centena de artigos publicados, além de dezenas de mestres e doutores orientados. “É uma alegria enorme! Fiquei muito contente por ter o trabalho reconhecido”, celebra. 

Fundada em 1916 com o objetivo de reunir os mais importantes cientistas brasileiros, a ABC contribui com diferentes ações para o estudo de temas de primeira importância para a sociedade, dando subsídios para a formulação de políticas públicas no país. Com um quadro atual de mais de 900 pesquisadores, é uma das mais antigas associações de cientistas brasileiras e reconhecidamente a mais prestigiada dessas entidades. Oswaldo conta que espera agora, com a nova titulação, poder estimular ainda mais os jovens a seguirem a carreira acadêmica. 

Carioca, crescido na Urca, o cientista lembra que sempre foi uma criança curiosa e um adolescente interessado pela ciência, principalmente, por engenharia, física e matemática. “Sempre gostei da área de exatas e fui incentivado a estudar pelos meus pais, que não são cientistas”, lembra. Desde a adolescência, o professor tinha uma pequena oficina no quarto, onde adorava estudar circuitos. “Eu comprei até um kit que era vendido em banca de jornal naquela época para montar rádio em casa. Tinha um ferro de soldar e vivia me queimando”, recorda. 

Com graduação e mestrado em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica (PUC) do Rio de Janeiro, concluídos em 1981 e 1983, respectivamente, Oswaldo se apaixonou mesmo pela área quando entrou no ensino superior. “Quando eu descobri a Engenharia de Controle, que é mais multidisciplinar, que mexe com matemática e computação, foi muito motivador. O curso tinha professores excelentes que apresentavam não só ferramentas profissionais, mas também incentivavam a pesquisa, encorajavam a fazer mais para além das provas”, diz. 

Após o mestrado, aos 23 anos, Oswaldo foi para Universidade de Londres fazer doutorado. O jovem engenheiro resolveu sair pela primeira vez da casa da mãe no Rio de Janeiro, onde morava com a irmã, e mudar para a Inglaterra para viver uma experiência internacional”. No primeiro ano foi difícil, era outra situação. Eu dividia apartamento, era outra língua, outra cultura, temperatura diferente do Rio, além de outros fatores. Depois a gente acaba se acostumando e se adaptando. No fim, foi fundamental para a minha carreira”, analisa. 

Foi durante o doutorado que Oswaldo conheceu sua esposa, que também estudava na Inglaterra, em uma festa de carnaval realizada por um grupo de brasileiros. Foi ela quem fez o carioca mudar para São Paulo, após a conclusão da tese, e prestar o concurso para docente na Poli. A relação com a mulher e com a USP dura até hoje. Oswaldo, que já foi chefe do Departamento de Engenharia de Telecomunicações e Controle, sente-se grato por fazer parte da história da Universidade. 

“No começo dos anos 90, a Poli era muito voltada para formar engenheiros de mercado e nós conseguimos incentivar o desenvolvimento de pesquisas. Eu tive que procurar um doutorado fora do Brasil, pois não tinha um curso desse tipo no país. Mas hoje temos e podemos fazer qualquer ciência. Em três décadas, avançamos muito, criamos uma comunidade científica muito forte. É uma luta constante”, admite. 

Apesar das conquistas, não foi uma tarefa fácil. Para Oswaldo, embora exista uma classe pensante de primeira linha no Brasil, formada por pessoas muito capazes, ainda hoje se ouve absurdos em relação à Ciência. Segundo o cientista, a academia precisa conseguir mostrar de forma mais clara o seu papel e a sua importância. “Temos alguns avanços na comunicação, mas precisamos romper a barreira da elite intelectual e conversar com a população em massa para convencer os políticos da relevância da pesquisa. Também falta investimento, o que acarreta a perda de bons profissionais para outros países, já que aqui não são valorizados”, ressalta. 

Atualmente, o especialista desenvolve projetos teóricos relacionados a sistemas que se reconfiguram após detectar falhas, tornando-os tolerantes a possíveis erros. Os estudos são desenvolvidos tanto no InSAC, que é sediado na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP, como no Centro de Pesquisa para Inovação em Gás (RCGI), uma base mundial para estudos avançados no uso sustentável do gás natural, biogás, hidrogênio, gestão, transporte e armazenamento de emissões de CO2. Além disso, Oswaldo foi editor associado de periódicos internacionais, como o Automática e IEEE Control Systems Letters, e atualmente é editor associado do  SIAM Journal on Control and Optimization. Ele ainda coordena um curso de especialização. 

Olhando para o futuro, o pesquisador deseja continuar trabalhando e fazendo Ciência por mais uns bons anos. “Espero que, em breve, nós possamos voltar a nos encontrar com os alunos dentro das universidades. Tenho uma responsabilidade muito grande de continuar formando esses estudantes”, afirma. Para aqueles que também são apaixonados por Ciência o professor deixa um recado: “Não desista da carreira, apesar de todas as dificuldades. É muito gratificante. Não se ganha tanto dinheiro, mas você vai ter a satisfação pessoal de passar o conhecimento para frente, formar novos profissionais e trabalhar para o desenvolvimento do país”, conclui.

Por Eduardo Sotto Mayor, da Fontes Comunicação Científica, para o InSAC

Fotos: Oswaldo Luiz do Valle Costa – Arquivo pessoal

 

O artigo Towards a Unified Approach to Homography Estimation Using Image Features and Pixel Intensities, de autoria de pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), recebeu o prêmio de melhor paper na 16ª Conferência Internacional de Sistemas Autônomos (ICAS), realizada no final de 2020, em Lisboa, Portugal. 

O artigo premiado é resultado da dissertação de mestrado do ex-aluno da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) da Unicamp, Lucas Nogueira, que atualmente cursa doutorado na Carnegie Mellon University (CMU), dos Estados Unidos. Durante o trabalho, que teve financiamento do INCT-SAC, Lucas foi orientado pelo professor Ely Paiva da Unicamp e coorientado pelo pesquisador Geraldo Silveira do CTI, que é especialista em Visão Robótica.

No artigo, os cientistas propõem a unificação de duas técnicas baseadas em visão computacional para melhorar os parâmetros de estimação de distâncias e interpretação de formas de objetos por robôs. Na prática, a combinação das técnicas permite obter maior velocidade e robustez na tomada de decisão das máquinas do que quando os métodos são utilizados individualmente. A manipulação de objetos por robôs é um  exemplo clássico de um cenário em que a maior agilidade e precisão dos movimentos é importante. 

A pesquisa de Lucas deu origem ainda a um software que realiza as estimativas de forma automática. O sistema, sua documentação e alguns outros exemplos de aplicações do novo modelo estão disponíveis para acesso gratuito da comunidade científica, que pode fazer o download dos arquivos por meio do seguinte link. 

Por fim, também foi disponibilizado um pacote ROS (Kinetic) que implementa um rastreador visual utilizando o software que foi criado. Tanto a sua documentação como alguns datasets estão disponíveis através do endereço > https://github.com/lukscasanova/vtec_ros. 

Texto: Assessoria de Comunicação do InSAC

 

Pesquisadores criaram novas técnicas para que drones e pequenos aviões controlem o próprio voo e alterem suas rotas em menos de 10 milésimos de segundo

O futuro é logo ali. As cenas de ficção científica com veículos terrestres e aéreos sem motoristas transportando pessoas e produtos e atuando em diferentes cenários estão cada vez mais perto da nossa rotina. Usando matemática, pesquisadores do INCT-SAC, sediado na USP, em São Carlos, conseguiram programar pequenos aviões e drones para identificar e desviar de obstáculos em movimento durante seu percurso, como animais, por exemplo. Ou seja, o robô passará a controlar seu próprio caminho e não seguirá apenas uma trajetória fixa, estipulada anteriormente. A inovação permite deslocamentos mais precisos, suaves e seguros, possibilitando que as máquinas sejam capazes de contornar algo que apareça na sua frente em menos de 10 milésimos de segundo.

O pesquisador Leonardo Pereira, que terminou recentemente seu mestrado no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica (PPGEE) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e é um dos responsáveis pela tecnologia, conta que a nova técnica propõe que as máquinas sigam dois campos vetoriais para voar: “Um campo é o caminho pré-definido que o robô deve seguir. Porém, quando ele detecta um obstáculo, o segundo campo vetorial entra em cena para que a máquina faça uma curva, desvie do que estiver na sua frente e depois volte para seu circuito inicial”, explica.

A troca de informações é online. “Quando ele começa a detectar um obstáculo, o sistema analisa os dados, a velocidade é diminuída e o desvio é iniciado. O robô escolhe a direção que altera menos o seu trajeto original. A inovação é um grande passo na área de planejamento do movimento e controle de veículos autônomos, tendo em vista que o robô inicialmente não estava programado para saber o que estaria ali”, comemora Leonardo. Simulações em programas de computador já foram realizadas e a nova tecnologia pode ser aplicada em diferentes setores, como em vigilância e fiscalização, em serviços de entrega autônomos e até mesmo no auxílio de resgates em desastres naturais. 

Segundo o professor Luciano Pimenta, docente da UFMG e coordenador dos estudos, lidar com obstáculos em movimento é um dos principais desafios na área da robótica autônoma. Ele revela que ensinar os caminhos para os robôs e ajudá-los a definir o que deve ser feito caso apareça algo em sua frente, mantendo um percurso eficiente e seguro, não é tarefa fácil. Adriano Rezende, doutorando em Engenharia Elétrica da UFMG e orientando de Luciano, lembra que, para fazer um drone se movimentar corretamente, muitos fatores são levados em consideração, como as velocidades das hélices, por exemplo. “O drone pode se mover verticalmente, pode frear ou então voar parado no espaço. Então, o sistema tem que saber em qual posição o drone se encontra, se está empinado ou de cabeça pra baixo, além de entender como ele deve girar as hélices para um melhor rendimento e em qual direção seguir”, descreve.

O especialista conta que a construção de um robô passa por três etapas. “A primeira está relacionada com o sistema de sensores, para que o equipamento possa se localizar no espaço. Na segunda fase, é preciso fazer com que a máquina interprete as informações de localização e planeje como deve se movimentar de maneira segura, sem trombar em nada ou atropelar alguém. Por fim, efetivamente, o robô tem que se mover. Essa última fase é o que os cientistas chamam de controle. A gente especifica para o robô, por meio dos números, como serão esses vetores no espaço para que ele faça o caminho desejado”, explica.

Em todo o mundo, pesquisas científicas avançam na criação de tecnologias e na busca por segurança para essas operações. Em maio, os pesquisadores irão participar da Conferência Internacional sobre Robótica e Automação (ICRA), o mais importante evento da área no mundo, onde Adriano, inclusive, publicou um artigo na edição do ano passado. Em 2021, um novo trabalho será apresentado na ICRA pela equipe de cientistas, desta vez sob autoria principal de Leonardo, que está ansioso por poder levar sua pesquisa a um nível internacional, compartilhar seus conhecimentos, conhecer outras pessoas e aprender mais. “Essa troca de informações é muito importante. Um Congresso desse tamanho é uma oportunidade única de mostrar o seu trabalho, ver o de outras pessoas e trazer o que outros pesquisadores têm desenvolvido para melhorar nosso projeto”, comenta. “Publicar no ICRA não é fácil. Menos de 50% dos trabalhos inscritos são aceitos”, completa o professor Luciano. 

Para o docente, o atual momento vivido pelo mundo deve acelerar a presença de robôs autônomos na sociedade. “A pandemia está atrasando muitas pesquisas por vários motivos, como o isolamento, que é necessário, e a falta de recursos. Ao mesmo tempo, tem todo o incentivo para o desenvolvimento dessas tecnologias por causa da demanda que a quarentena trouxe”, analisa. Nos próximos meses, os pesquisadores pretendem simular novos cenários de testes e seguir buscando melhorias e parcerias com outros estudiosos do assunto espalhados pelo mundo. Até o momento, o trabalho contou com financiamento do INCT-SAC, por meio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP).

Texto: Assessoria de Comunicação do InSAC

Uma pesquisa desenvolvida por cientistas do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação (SEL) da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP foi tema de uma reportagem do site norte-americano The Academic Times, veículo de comunicação voltado para divulgação de estudos científicos realizados em todo o mundo. O trabalho que se tornou destaque no portal foi o artigo Real-time deep learning approach to visual servo control and grasp detection for autonomous robotic manipulation, de autoria de Eduardo Godinho Ribeiro e Raul de Queiroz Mendes, ambos doutorandos da EESC, e Valdir Grassi Júnior, professor do SEL, orientador dos estudantes e membro do INCT-SAC. 

O tema do trabalho é manipulação de objetos por robôs. No estudo, os pesquisadores desenvolveram novas técnicas computacionais da área de aprendizado de máquina que visam auxiliar os robôs em tarefas como agarrar ou segurar peças, produtos, mercadorias e demais itens do dia a dia, podendo ser aplicadas, por exemplo, para o desenvolvimento de novos robôs domésticos ou até mesmo de máquinas para a manipulação de equipamentos industriais. No modelo proposto, o sistema  identifica, localiza e processa os dados visuais do ambiente em que está de forma mais rápida, além de possibilitar que o robô segure determinado objeto com uma precisão milimétrica.

Confira a reportagem completa do Academic Times clicando no seguinte link.

Texto: Assessoria de Comunicação do InSAC

Uma pesquisa desenvolvida na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP promete aprimorar a visão dos robôs, fazendo com que eles enxerguem diversos tipos de ambientes de forma mais detalhada. Os cientistas criaram novos códigos de computador (algoritmos) que melhoraram a percepção de profundidade das máquinas, o que irá facilitar o cálculo das distâncias para os obstáculos e, consequentemente, as manobras para desviar com segurança dos objetos. O trabalho gerou um artigo que foi publicado na Robotics and Autonomous Systems, renomada revista científica internacional.

“Além de ter aplicação em carros autônomos, a técnica poderá beneficiar o trabalho de drones em florestas para a identificação de queimadas e desmatamentos, a atuação de robôs na área da saúde, realizando, por exemplo, exames de colonoscopia em busca de lesões associadas ao câncer, ou até estar presente nos robôs domésticos, que estão cada vez mais inseridos no cotidiano da população ajudando em tarefas diárias e a tornar a vida mais confortável, segura e produtiva. A percepção de profundidade é crucial para que esses robôs entendam o ambiente e possam operar de forma autônoma”, explica Raul de Queiroz Mendes, autor principal do trabalho e mestrando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da EESC. 

Durante o estudo, os pesquisadores testaram o novo método avaliando imagens de tráfego urbano e de ambientes domésticos, como salas, quartos e cozinhas, coletadas de bancos de dados. De acordo com Eduardo Godinho Ribeiro, doutorando em Engenharia Elétrica da EESC e também autor do estudo, os resultados mostraram que a técnica desenvolvida na USP alcançou uma estimativa de profundidade cerca de 33% mais precisa que a referência pioneira desta área na literatura científica. Considerando apenas as imagens internas, esse número passa de 36%.

Além de serem mais precisos, os novos algoritmos demandam ainda menor poder computacional, proporcionando uma resposta mais rápida do robô. “Nosso trabalho apresenta contribuições com relevante impacto científico para a área e subáreas da Inteligência Artificial e Visão Computacional. Portanto, além dos benefícios do novo método, o artigo que publicamos passa a servir como uma referência atual para os demais trabalhos, contribuindo com aqueles que desejam iniciar pesquisa no ramo”, afirma Valdir Grassi Junior, orientador do trabalho, pesquisador do INCT de Sistemas Autônomos Cooperativos (InSAC) e professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação (SEL) da EESC.  

Mas, afinal, como o robô é capaz de identificar a profundidade de um ambiente? Diferentemente das técnicas clássicas de Visão Computacional, que se utilizam de relações trigonométricas e comparações entre pares de imagens sob diferentes ângulos, os pesquisadores da USP adotaram os chamados “métodos monoculares baseados em aprendizagem profunda” para determinar as formas e profundidades de um cenário. Segundo os especialistas, esse caminho é mais desafiador e complexo, pois no momento da avaliação é preciso levar em conta algumas “pistas” da imagem, como sombras, iluminação, cor, textura, disposição dos objetos, entre outros elementos que ajudam o sistema robótico a calcular a profundidade. 

Pensando em uma aplicação para veículos autônomos, analisar os elementos urbanos com mais rigor pode ser fundamental para a prevenção de acidentes. “Aferir a profundidade de cenas com maior precisão pode melhorar os mecanismos de percepção robótica de carros autônomos, permitindo que eles compreendam melhor o espaço 3D a sua volta e realizem ações mais seguras”, explica Nícolas dos Santos Rosa, um dos autores do trabalho e doutorando em Engenharia Elétrica pela EESC. 

Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), cerca de 1,35 milhão de pessoas morrem em acidentes de trânsito por ano e 50 milhões sobrevivem com lesões que podem levar à invalidez. Como cerca de 94% dos acidentes são causados por falha humana, os veículos autônomos, juntamente com seus mecanismos de percepção, tornam-se uma solução viável contra o grande número de mortes e sequelas provocadas, que envolvem, principalmente, pedestres, ciclistas e motociclistas. 

Os próximos passos do estudo envolvem a aplicação da nova técnica no carro autônomo que está sendo desenvolvido no InSAC, em robôs que realizam tarefas de pegar de objetos, além de sua utilização em drones para atividades de inspeção, mapeamento e monitoramento. A pesquisa foi financiada pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). 

Por Henrique Fontes, da Assessoria de Comunicação do InSAC/USP

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Imagine um dia utilizar um aplicativo de celular capaz de monitorar e identificar possíveis anomalias na caminhada de uma pessoa, auxiliando profissionais da saúde no diagnóstico ou tratamento de alguma doença, como Parkinson e Alzheimer, enfermidades que podem afetar a capacidade de locomoção de um indivíduo. O primeiro passo para o desenvolvimento de uma tecnologia como essa foi dado em um estudo que está sendo conduzido na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP que pretende tornar esse tipo de avaliação mais simples, barata e precisa. 

A ideia dos pesquisadores é realizar a tarefa utilizando os chamados sensores inerciais, que são encontrados no interior de smartphones (são eles que permitem a tela girar conforme o aparelho é virado). Responsáveis por medir grandezas como aceleração e velocidade, esses sensores podem ser conectados a aplicativos e gerar dados que permitam avaliar se cada movimento da passada humana está sendo feito corretamente. “Além de identificar parâmetros alterados nos passos por conta de uma eventual patologia, esses sensores poderiam ser aplicados para monitorar a evolução do paciente durante um tratamento de recuperação motora a partir de métricas previamente definidas, auxiliando o médico a tomar suas decisões”, explica Francisco Ambrosio Garcia, autor da pesquisa, que faz parte de seu Trabalho de Conclusão de Curso (TCC), e estudante do curso de Engenharia Elétrica da EESC. 

Atualmente, os sensores inerciais são utilizados de forma avulsa para esta finalidade, acompanhados de equipamentos específicos, que não estão disponíveis para a população em geral, do uso de câmeras, sensores de pressão e da infraestrutura de laboratórios especializados, tornando o processo mais caro e complexo. “O diferencial do meu trabalho foi que eu aproveitei os sensores que já estão embutidos em todos os aparelhos celulares modernos para fazer esse mapeamento. Isso pode permitir que, no futuro, o sistema de acompanhamento seja desenvolvido apenas como um aplicativo que o paciente instalaria no celular, eliminando a necessidade de adquirir novos dispositivos, que muitas vezes têm alto custo”, explica o jovem. 

Para testar a nova abordagem, Francisco teve a ideia de amarrar um smartphone em um de seus pés para que os movimentos da caminhada fossem obtidos. Os dados eram enviados para um aplicativo disponível em sistemas Android e automaticamente repassados para o laptop do estudante, onde ele pôde interpretar as informações: “A solução que eu encontrei, embora pareça precária, obteve resultados comparáveis a trabalhos já existentes que utilizam equipamentos disponíveis em laboratórios especializados. Os resultados foram bastante promissores e abrem caminho para trabalhos futuros”, afirma o aluno, que teve a ideia a partir das condições impostas pela pandemia do novo coronavírus, que demandou o isolamento social e comprometeu a presença de estudantes nos laboratórios da USP. Nos próximos passos da pesquisa, Francisco pretende investigar se é possível realizar o mesmo tipo de monitoramento com o celular dentro do bolso. 

Outra vantagem de utilizar apenas o celular para obter os dados dos pacientes é que o acompanhamento remoto do usuário seria facilitado, permitindo que as informações sejam coletadas de forma contínua e enviadas a um profissional da saúde. “Os atuais sistemas de reabilitação e acompanhamento a distância de pacientes ainda não são tecnologias maduras e, embora existam alguns sistemas pontuais de telereabilitação no Brasil, na grande maioria dos casos o paciente precisa se deslocar até um laboratório ou clínica especializada para fazer a coleta dos dados”, explica.

Formação e experiência- O estudante teve o primeiro contato com a ciência logo no primeiro ano de graduação, quando realizou iniciação científica (IC), com bolsa da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP). Ele foi orientado por Marco Henrique Terra, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação (SEL) da EESC e coordenador do INCT-SAC. “A IC permitiu que eu aprendesse métodos científicos e me proporcionou o contato com pesquisadores de diversas nacionalidades, o que, culturalmente, enriqueceu muito minha vivência na graduação”, conta. 

Por meio de uma parceria da USP com instituições francesas, o aluno teve a oportunidade de fazer um intercâmbio na escola Supélec, uma das mais prestigiadas do país na área de Engenharia Elétrica, da qual ele também receberá um diploma. Durante a experiência, ele revela que uma das diferenças que notou entre a graduação nos dois países é que no Brasil o foco das disciplinas é voltado para a resolução de problemas práticos, o que ele considera ser mais “mão na massa”. Já na França, a parte teórica está mais presente, com alto rigor matemático. 

Ainda no país europeu, o aluno realizou estágio em uma das maiores empresas de transporte público do país. De volta ao Brasil, fez um novo estágio junto à indústria, em São José dos Campos. Agora, por fim, está trabalhando com métodos computacionais em biomedicina. Todas essas experiências serviram para mostrar o amplo campo de atuação que alguém formado em engenharia elétrica possui. “Uma lição que aprendi ao longo dessas experiências é a importância de sermos flexíveis. No mercado de trabalho nos deparamos todos os dias com problemas diferentes daqueles vistos em sala de aula, por isso precisamos nos adaptar rapidamente a diversos contextos e novas tecnologias. Descobri que, independentemente da área que eu venha a atuar no futuro, me interesso por problemas desafiadores, que de alguma forma possam ajudar pessoas”, finaliza.

Por Henrique Fontes, da Assessoria de Comunicação do InSAC

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Tecnologia pode ser controlada por algoritmos, que orientam as ações do equipamento no auxílio ao paciente

O Acidente Vascular Cerebral (AVC), popularmente conhecido como derrame, afeta anualmente milhares de pessoas no Brasil, e pode deixar sequelas graves, como a limitação ou perda dos movimentos das pernas, impossibilitando o indivíduo de caminhar. A reabilitação pós-AVC é fundamental para a recuperação do paciente, e com o objetivo de contribuir nesse processo, pesquisadores da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP desenvolveram um exoesqueleto robótico capaz de auxiliar profissionais da área da saúde no tratamento de vítimas de AVC. Com base na força que o paciente faz durante um exercício, o equipamento identifica com precisão em qual parte do membro inferior ele apresenta mais dificuldades, atuando de forma automática na região afetada para ajudá-lo a completar o movimento. 

“Um dos diferenciais do nosso exoesqueleto em relação aos disponíveis no mercado é que ele pode ser configurado para tratar várias articulações da perna do paciente ao mesmo tempo, como o tornozelo, joelho e quadril. Com essa possibilidade, nós conseguimos proporcionar ao usuário uma recuperação muito mais rápida e eficiente”, explica Adriano Almeida Gonçalves Siqueira, coordenador do trabalho e professor do Departamento de Engenharia Mecânica (SEM) da EESC. Nomeado “Exoesqueleto Modular de Membros Inferiores”, o aparelho já possui uma patente registrada no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI). 

Outro destaque do equipamento é que ele pode ser controlado por algoritmos (códigos de computador), desenvolvidos para mensurar a força realizada pelas pernas do usuário e definir como o exoesqueleto deve agir nas regiões enfraquecidas, auxiliando o paciente a completar uma tarefa específica, como caminhar, subir e descer escadas, sentar e levantar. “Uma das possíveis sequelas de quem sofre AVC é ficar com o pé caído, situação em que a pessoa o arrasta no chão quando tenta andar. Com os nossos algoritmos atuando em conjunto com o exoesqueleto, nós conseguimos identificar a gravidade dessa deficiência e ajudar o indivíduo a melhorar sua passada por meio de estímulos que são gerados pelas juntas do equipamento”, afirma Felix Maurício Escalante Ortega, criador dos códigos e doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da EESC, onde é orientado pelo professor Marco Henrique Terra, coordenador do INCT de Sistemas Autônomos Cooperativos (INCT-SAC). 

Construído durante a pesquisa de doutorado do ex-aluno da EESC Wilian Miranda dos Santos, atualmente professor da Universidade Estadual Paulista (UNESP), em São João da Boa Vista, o aparelho pesa aproximadamente 11 kg e é composto, basicamente, por um cinto pélvico para fixação ao tronco do paciente, juntas posicionadas nas principais articulações das pernas, sensores de força que monitoram a interação entre o robô e o paciente, pequenos motores para impulsionar os movimentos do equipamento, cintas de velcro e um par de sapatos personalizados preso ao exoesqueleto. Para testar a tecnologia e avaliar a influência do equipamento em atividades que demandam esforço muscular, foram realizados diversos experimentos em uma esteira, onde um sujeito saudável interagiu com o exoesqueleto.

Os resultados mostraram que o sistema garantiu a estabilidade e segurança do contato entre o ser humano e o robô, registrou alto desempenho na transmissão dos dados referentes à força exercida pelo usuário, além de ter ajustado adequadamente o nível de assistência necessária do aparelho ao voluntário. Diante da atuação do sistema, os cientistas concluíram que os algoritmos desenvolvidos ofereceram uma solução sob medida e promissora para fins de reabilitação, estimulando corretamente diferentes movimentos do indivíduo. 

A doença – O Acidente Vascular Cerebral ocorre quando os vasos que levam sangue ao cérebro entopem ou se rompem, bloqueando a circulação sanguínea. Quanto mais rápido o diagnóstico e o tratamento forem feitos, maiores são as chances de recuperação. Os principais sintomas do AVC são fraqueza ou formigamento no rosto, braço ou perna, confusão mental, alterações na fala, visão e equilíbrio e dor de cabeça súbita e intensa. Segundo o Ministério da Saúde, o derrame é a segunda maior causa de morte no Brasil, ficando atrás apenas dos óbitos por problemas cardíacos isquêmicos. Em 2018, foram registrados 197 mil atendimentos no Sistema Único de Saúde (SUS) em decorrência de AVC, que pode ser tratado de forma gratuita. 

Segundo os pesquisadores da EESC, o número de casos da doença deve aumentar nos próximos anos em função do envelhecimento da população mundial, já que sua incidência é maior entre os idosos, o que evidencia a importância da criação de novas técnicas de reabilitação. Os especialistas contam que os próximos passos do trabalho desenvolvido na USP envolvem a realização de testes com pacientes que sofreram AVC. A expectativa dos cientistas é de que a nova tecnologia, criada no Laboratório de Reabilitação Robótica do SEM, possa estar no mercado em até cinco anos. 

As pesquisas foram financiadas pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). Os resultados obtidos nos estudos geraram cinco artigos científicos que foram divulgados em revistas do exterior e em um evento acadêmico internacional. Confira, abaixo, a lista de todos os trabalhos produzidos e o vídeo demonstrativo do protótipo desenvolvido na USP. 

Optimal impedance via model predictive control for robot-aided rehabilitation 

Design and Control of a Transparent Lower Limb Exoskeleton In: Biosystems & Biorobotics 

Robust Kalman Filter and Robust Regulator For Discrete-time Markovian Jump Linear Systems: Control of Series Elastic Actuators 

Impedance Control for Robotic Rehabilitation: A Robust Markovian Approach

Robust Markovian Impedance Control applied to a Modular Knee-Exoskeleton, apresentado no 21st IFAC World Congress, ocorrido este ano em Berlim, na Alemanha.  

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O desenvolvimento de carros autônomos tem motivado há anos empresas e cientistas de diversas partes do mundo. No entanto, um dos principais desafios enfrentados pelos pesquisadores da área é assegurar que os veículos inteligentes poderão circular por ambientes urbanos sem oferecer riscos a quem estiver ao seu redor. Pensando em soluções para esse cenário, o doutorando Gustavo Prudencio, da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP, criou um algoritmo (código computacional) capaz de oferecer mais segurança aos carros autônomos.

“Nosso método permite que um veículo autônomo avalie as condições de um ambiente urbano e decida qual a melhor ação a ser realizada, sem nenhuma interferência humana, apenas observando imagens captadas por uma câmera frontal localizada no veículo, que fornece as informações sobre a via. A partir da interpretação desses dados, o algoritmo decide qual movimento de direção deve ser realizado para manter o veículo dirigindo com velocidade constante no centro da pista, mesmo com a presença de curvas ou obstáculos”, explica o cientista, que teve sua pesquisa financiada pelo INCT-SAC durante seu mestrado na USP, orientado pelo professor Valdir Grassi Junior, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação (SEL) da EESC.

Para elaborar o código, Gustavo utilizou uma técnica chamada aprendizagem por reforço, na qual o algoritmo “aprende” por meio de tentativa e erro qual deve ser o comando correto a ser enviado ao carro, de acordo com as situações e cenários que se apresentam ao veículo. A estratégia permite que o automóvel realize diversas interações com o ambiente e, caso ações equivocadas sejam tomadas, acarretando colisões, infrações de trânsito ou afastamento da via navegável, ele recebe “punições” do sistema de controle. Por outro lado, quando o carro se mantém no centro da pista, ele é recompensado pelo algoritmo. 

A fim de comprovar a eficácia do código, foram realizados diversos testes no simulador Car Learning to Act (CARLA), programa de computador utilizado para representar diferentes cenários urbanos do mundo real, apresentando ao veículo virtual as mais variadas situações que ele poderá encontrar. “Esse método se aproxima da forma como os seres humanos aprendem a executar tarefas: eles realizam uma sequência de observações, compreendem a dinâmica do ambiente e tomam as decisões mais adequadas”, afirma o pesquisador, que atualmente é orientado pelo professor Marco Henrique Terra, coordenador do INCT-SAC e professor do SEL.  

Controlar um veículo autônomo apenas observando as imagens do ambiente demanda que o algoritmo considere alguns cenários que podem lhe confundir, como ruídos e imperfeições nas imagens, luminosidade variável e elementos urbanos inesperados, como a ação de pedestres ou de outros motoristas. No entanto, Gustavo explica que algoritmo desenvolvido apresenta uma característica auto adaptativa, que permite que ele modifique seus parâmetros na presença de incertezas, buscando de forma automática a melhor maneira de lidar com eventuais problemas na interpretação das imagens. 

Segundo o pesquisador, já existem outros algoritmos que se baseiam em imagens para controlar veículos autônomos, mas eles são menos robustos e não conseguem manter o veículo tão estável como o que foi desenvolvido na USP, que é menos suscetível a interferências do ambiente externo. Além disso, outra vantagem do novo código é que ele aprende muito mais rápido as ações que devem ser passadas ao veículo. Durante os testes realizados no simulador CARLA, o sistema levou apenas 14 horas para compreender os diferentes tipos de comportamento que deveriam ser indicados ao carro, enquanto outros algoritmos chegam a demorar até 12 dias. 

“Os resultados da simulação mostraram que o nosso algoritmo supera os demais propostos na literatura, pois apresenta um índice menor de erro nas ações de deslocamento, comandos de direção mais suaves, prevenção total de colisões e melhor desempenho em diferentes ambientes urbanos. De forma totalmente autônoma, ele é capaz de aprender a lidar com um modelo complexo e a reagir contra incertezas, dispensando a realização de cálculos que representem o modelo físico do veículo ou da cidade. A própria máquina define a melhor forma de operar conforme explora o ambiente ao seu redor ”, conta Gustavo. 

De acordo com o cientista, o algoritmo proposto pode ser implementado para controlar veículos autônomos em cidades, rodovias, áreas rurais e até em ambientes fechados. O resultados obtidos no trabalho geraram um artigo científico que foi publicado na Control Engineering Practice, revista internacional com nível máximo de qualificação na área de controle, sendo referência mundial. Além do aprimoramento do algoritmo para que ele possa ser testado em veículos autônomos reais, os próximos passos da pesquisa envolvem o desenvolvimento de novas técnicas que proporcionem a outros robôs móveis, como drones, a possibilidade de atuarem em ambientes complexos sem a intervenção de humanos. “Nós acreditamos que as máquinas, assim como as pessoas, podem melhorar seu desempenho à medida que experienciam atividades”, finaliza. 

Texto: Henrique Fontes – Assessoria de Comunicação do InSAC

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Em cirurgias com pouco espaço de intervenção, como em procedimentos no nariz, cérebro ou em bebês, os médicos precisam superar uma série de desafios para que a tarefa seja realizada com sucesso, evitando movimentos bruscos e rápidos, tremor nas mãos e ainda encontrar soluções para que a visão não seja comprometida. No entanto, devido à complexidade do trabalho, os riscos ainda persistem, podendo ocorrer colisões entre os instrumentos cirúrgicos e tecidos ou órgãos do corpo humano. Para auxiliar profissionais da saúde a desempenhar esse trabalho, pesquisadores da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e da Universidade de Tóquio desenvolveram um código computacional (algoritmo) que poderá guiar robôs para que eles executem essas operações com mais segurança e precisão. 

“Além do espaço ser restrito e a visão do médico limitada, nem sempre o profissional tem uma boa noção de profundidade. O que nós desenvolvemos ajuda a aumentar a segurança do procedimento porque o robô pode desviar de regiões sensíveis, mesmo que elas estejam fora do campo de visão de quem realiza o procedimento. A precisão é muito elevada,  pois é possível mudar a escala da manipulação. Conseguimos, por exemplo, garantir que um movimento de 10 centímetros na mão do médico se traduza em um movimento de poucos milímetros na garra do robô, permitindo que o profissional da saúde faça procedimentos em estruturas bastante reduzidas”, explica um dos autores da pesquisa, Bruno Vilhena Adorno, professor da UFMG e pesquisador do INCT de Sistemas Autônomos Cooperativos (InSAC).  

Para testar o algoritmo, diversos experimentos foram realizados nos laboratórios da Universidade japonesa, onde os pesquisadores utilizaram um par de robôs equipados com ferramentas cirúrgicas para simular movimentos e incisões nas narinas de um boneco, explorando diferentes possibilidades de controle. Em uma delas, os cientistas programaram os robôs para realizarem tarefas e trajetórias totalmente autônomas, fazendo com que eles realizassem ações sem colidirem com qualquer parte da anatomia nem um com o outro, mesmo quando seus caminhos se cruzavam. No entanto, vale ressaltar que, para realizar o procedimento em um paciente de verdade, outros cuidados deveriam ser tomados, como a incorporação de sensores e alguns algoritmos de percepção. 

Outro teste realizado pelos cientistas envolveu a teleoperação, procedimento no qual o médico controla as “garras” dos robôs como se fossem suas próprias mãos para realizar suturas e incisões. Neste caso, os robôs seguiram com um sistema autônomo “ativado” para desviar de colisões. Ou seja, mesmo que o cirurgião force uma ferramenta na direção da outra, elas não se chocam, garantindo a segurança da operação. Quando isso ocorre, o médico sente forças artificiais nos controles que segura em cada uma das mãos, que ficam cada vez mais intensas na medida em que os instrumentos se aproximam um do outro.  

Segundo Adorno, os resultados alcançados nos testes são promissores. “Em um dos nossos experimentos, mostramos algumas evidências de que o sistema desenvolvido pode, em princípio, ser usado em exames endoscópicos e em cirurgias que demandam intervenções por entre as costelas de bebês recém-nascidos, o que atualmente é inviável com o robô cirúrgico mais avançado existente no mercado, o robô Da Vinci”, diz o docente. Segundo o especialista, algumas das técnicas que foram desenvolvidas já poderiam ser aplicadas de imediato, enquanto outras devem ser incorporadas pouco a pouco nos robôs atualmente disponíveis.

O professor explica ainda que essa área de pesquisa tem se tornado bastante atrativa, principalmente pelo fato dos robôs modernos estarem mais complexos e atuando cada vez mais próximos aos seres humanos, exigindo que os algoritmos de controle tenham mais garantias de bom funcionamento. Os resultados obtidos no trabalho geraram três artigos. São eles: “Dynamic Active Constraints for Surgical Robots Using Vector-Field Inequalities”, publicado na IEEE Transactions on Robotics; “Active Constraints Using Vector Field Inequalities for Surgical Robots”, apresentado na IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2018; e “A Unified Framework for the Teleoperation of Surgical Robots in Constrained Workspaces”, apresentado na ICRA 2019.

Confira, abaixo, o vídeo que mostra os experimentos realizados na Universidade de Tóquio. 

 

Por Henrique Fontes, da Assessoria de Comunicação do InSAC

 

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