As profissões da Engenharia no presente e futuro próximo

As profissões da Engenharia no presente e futuro próximo

Meus conselhos aos jovens que desejam abraçar à profissão da engenharia

Engenharia Biomecânica

Engenharia em Nanotecnologia

Engenharia Biomecânica 

Modelos e biomecânica

Os segmentos corporais são representados como elos interconectados de uma cadeia cinemática, possibilitando a aplicação de técnicas utilizadas na robótica na modelagem do aparelho locomotor humano:

A notação de Denavit - Hartenberg e a formulação Lagrangeana da Mecânica.

Os sistemas de referência atribuídos aos segmentos, através da notação de Denavit-Hartenberg, e os parâmetros inerciais aplicados na formulação Lagrangeana levaram a equações de movimento que permitiram computar, de maneira recursiva, os momentos de força em função do comportamento angular de articulações intersegmentares, obtido de dados tabulados em literatura, adquiridos através de cinemetria.

Robôs e Biomecânica

ROBÔS são projetado especificamente para o estudo dos ossos e articulações humanas.

Suas aplicações incluem o desenvolvimento de próteses e órteses, dispositivos para implantes médicos e o projeto de equipamentos esportivos.

Robôs já são largamente utilizados em ambientes industriais.

Mas existe robôs desenvolvidos especificamente para o estudo do corpo humano.

Os robôs oferecem grandes vantagens no estudo dos movimentos do corpo humano por causa de sua repetibilidade, flexibilidade de movimento e da possibilidade de reprogramação.

São sistemas avançados de análise e teste biomecânico que oferece uma inigualável capacidade de simulação dos movimentos humanos, permitindo o estudo direto das forças de contato nos ossos e juntas.

O sistema é formado pelo robô propriamente dito, por um controlador, software de controle e suporte para fixação de amostra de teste.

Os dados capturados pelo robô, simulando movimentos e cargas sobre ossos e juntas, são utilizados para a construção de modelos simulados.

Essas simulações podem então ser aplicadas no desenvolvimento de produtos esportivos com máxima eficiência e mínimo risco de lesões, além de maior desempenho do esportista e maior durabilidade do equipamento.

O robô pode ser utilizado para testar impactos sobre os ossos humanos até dez vezes maiores do que o peso do corpo humano.

Esta capacidade é necessária para o estudo de efeitos de atividades como a corrida e o salto. São construídos com robusteza suficiente para ter total estabilidade em testes de

longa duração.

Acionamentos

A componente funcional e que cria o movimento.

Distingue-se em músculos, cujo análogo robótico são os motores, e tendões, que se apresentam como fios no modelo artificial.

Por exemplo os movimentos da mão humana são originados por dois conjuntos de músculos - os intrínsecos (que se encontram na própria mão) e os extrínsecos (os flexores e extensores longos, que se encontram no antebraço).

Os tendões cumprem a função de transferir a força gerada pelos músculos para pontos de aplicação não imediatamente em contato com eles.

Estes são na realidade a parte mais aplicável á robótica.

 

Já que no lugar de músculos se usam motores, não é mais necessário cumprir a semelhança anatômica a este nível.

Torna-se mais premente conhecer o funcionamento dos tendões sobre as articulações.

O  cérebro é  uma peça fundamental no funcionamento do corpo humano.

Existem milhares de terminações nervosas no corpo, os nervos em si podem ser motores, sensitivos ou mistos, dependendo do tipo de informação que transmitem.

O sistema circulatório, que tem como órgão principal o coração, tem o sangue como meio de trocas com a função de distribuir pelo corpo os nutrientes e água obtidos na digestão e o oxigênio obtido nos pulmões, capacitando as células de produzirem energia, e por sua vez recebe também as toxinas produzidas por estas, que são libertas por filtração nos rins, e o dióxido de carbono que é liberto nos pulmões.

Os vasos dividem-se em artérias, que levam o sangue do coração, e veias, que o trazem.

No modelo robótico estes dois componentes encontram-se em conjunto, pois os mesmos cabos que fornecem informação para o movimento, fornecem também energia.

Não interessa referir-se  as ligações nervosas que se efetuam nem os vasos que intervém pois no modelo estes não terão qualquer relação.

Interessa no entanto referir-se que tal como no corpo humano, existe um sistema nervoso central, neste caso o bloco de programação, que elabora os raciocínios e tira as conclusões a partir de informação sensitiva que obtém.

Esse mesmo envia depois a informação sob a forma de impulsos elétricos, através dos cabos de transmissão, que levam ao movimento do motor, tal como na natureza os nervos motores fazem mover os músculos.

A eletricidade é também a fonte de energia do sistema, tal como o sangue a fornece no sistema humano.

A Biomecânica, a Biomédica e a Bioengenharia

A biomecânica é o estudo da mecânica dos organismos vivos.

A Biomecânica externa estuda as forças físicas que agem sobre os corpos enquanto a biomecânica interna estuda a mecânica e os aspectos físicos e biofísicos das articulações, dos ossos e dos tecidos do corpo.

A biomecânica, as ciências biomédicas e a bioengenharia, trabalham em conjunto com a finalidade de criar implantes, ou próteses, que são mecanismos médicos criados para substituir e atuar como uma estrutura biológica em falta.

A superfície destes mecanismos que irá  se contatar com o corpo humano pode ser constituída por diferentes materiais tal como titânio ou silicone, dependendo das necessidades do mecanismo para que seja funcional. Em alguns casos possui constituintes eletrônicos.

Um dos principais entraves à criação de robôs eficientes é tornar este minimamente autônomos.

Para tal deverão possuir sensores que permitam uma interação com o meio e, assim, uma resposta ao que possa acontecer nesse mesmo meio.

De modo geral, um robô é constituído pelo manipulador, que é a unidade mecânica que pode ser comparada com os membros dos seres vivos; pelos sensores, que são órgãos dos sentidos, transmitindo informações sobre um objeto tocado; pelos atuadores, os músculos, os motores que movimentam os manipuladores e orientam os sensores; pelo controlador, o sistema nervoso, implementado por um computador e pela sua fiação; pela fonte de energia, o sistema metabólico; e pela transmissão de energia, o sistema circulatório, os fios elétricos.

No caso, temos os manipuladores que são toda a estrutura do orgão; os sensores, de toque e de ultra-sons; os atuadores que são os motores; o controlador que é o bloco de programação; a fonte de energia que é a energia elétrica; e a transmissão de energia assegurada pelos cabos que ligam o bloco de programação aos motores e aos sensores.

A construção possui ainda fios, que representam tendões.

Os atuadores transmitem a força aos efetores, que são os tendões (fios), que possibilitam o funcionamento dos manipuladores.

Isto permite afastar o ponto de aplicação da força, do ponto onde esta é gerada.

A transmissão de movimento pode ser feita por interação de engrenagens e correia de transmissão, numa base fixa.

Pode se entender à  transferência do movimento circular entre componentes de um sistema fechado e como esta transferência se processa, tal  como transformar movimentos circulares em força linear.

Pode se entender  um sistema variado com engrenagens e correias de transmissão.

Transformação do movimento em força vertical que deverá levantar qualquer objeto e logo baixá-lo a velocidades constantes.

Assim, relativamente á programação, quando um sensor de toque era tocado, resultava um movimento do motor.

Análise estrutural e biomecânica

O Método dos Elementos Finitos (MEF) é uma análise matemática que consiste na discretização de um meio contínuo em pequenos elementos, mantendo as mesmas propriedades do meio original.

Esses elementos são descritos por equações diferenciais e resolvidos por modelos matemáticos, para que sejam obtidos os resultados desejados.

A origem do desenvolvimento deste recurso ocorreu no final do século XVIII, entretanto, a sua viabilização tornou se possível somente com o advento dos computadores, facilitando a resolução das enormes equações algébricas.

O MEF pode ser utilizado em diversas áreas das ciências exatas e biológicas e, devido à sua grande aplicabilidade e eficiência, existem trabalhos com esta metodologia nas diversas especialidades odontológicas, como na Ortodontia, quando se deseja analisar cargas, tensões ou deslocamentos.

Com o contínuo uso desse método em pesquisas, com suas vantagens em relação a outros disponíveis, torna-se de suma importância o conhecimento da técnica, para que sua utilização possa proporcionar benefícios científicos à Ortodontia.

Torna se primordial que os ortodontistas clínicos conheçam os conceitos básicos do MEF para que os resultados dos trabalhos sejam melhor interpretados.

 NANOTECNOLOGIA 

Gulliver no pais dos lilliput

Não é fácil entrar no universo do definitivamente pequeno, ou até mesmo falar sobre isso, pois requer um conhecimento muito profundo das leis da natureza que governam o mundo que nós não possuímos.

As forças encontradas para determinar a maneira pela qual pequenas partículas se movem e também dar lhes propriedades através de mecanismos nem sempre vêm da comprovação de fatos naturais. 

 Procurar refúgio no jargão matemático que poucas pessoas "normais" podem entender, e ainda, para realmente apreciar a força da lógica das leis da física, não se pode evitar a matemática, pois, é a única linguagem que pode explicar o que não se pode dizer com palavras.

 Fazer uma viagem ao mundo do muito pequeno não é de todo compreensível para os nossos sentidos, acostumados com o "pequeno" todos os dias, quando entrarmos no infinitesimal, lá, as coisas se comportam de forma muito diferente do habitual no nosso mundo real.

O escritor Jonathan Swift nos deixou aquelas histórias fantásticas de Gulliver, o Aventureiro que veio para a terra de Lilliput, onde as pessoas pequenas vivem. Tudo ali era muito pequeno: natureza, plantas e animais, tudo foi feito em pequenas escalas.

 Ele estava lá como um "homem da montanha" gigante. Diante do mundo fantástico da mecânica quântica.

E, finalmente, os físicos perguntaram: Qual é o tamanho dos átomos nesses lugares, e que tipo de reações químicas poderiam ocorrer com os átomos do corpo de Gulliver?

Com estas perguntas a história começa a falhar. A verdadeira razão para que as Viagens de Gulliver não podem existir é que as leis da natureza não permanecem exatamente o mesmo quando a escala mudar.

Às vezes, isso é evidente em filmes de desastres, onde costuma-se construir um modelo em escala pequena para simular uma grande onda ou um incêndio ou um arranha-céu.

Os melhores resultados são obtidos quando o fator de escala é escolhido para o tempo igual à raiz quadrada da escala espacial. Então, se o arranha-céu é construído à escala 1:9, nós temos que fazer o filme de um terço de sua velocidade real. Mas, mesmo assim, o olho treinado vai notar diferenças entre o que acontece no filme e o que aconteceria no mundo real.

A verdade é que as leis que regem o mundo físico têm duas características importantes: muitas leis da natureza permanecem os mesmos quando você muda de escala, mas existem outros fenômenos que não mudam da mesma maneira. A implicação final é que o mundo dos objetos muito pequenos será completamente diferente do mundo ordinário.

Especialmente no mundo dos seres vivos cria se diferenças de escala significativa. Em muitos aspectos, a anatomia de um mouse é uma cópia de um elefante, mas ao mesmo tempo um rato pode escalar uma parede de rocha quase vertical, sem muito esforço (e pode ser derrubado de uma altura várias vezes o seu tamanho sem fazer um grande dano), um elefante não seria capaz de realizar tal façanha.

De modo geral, podemos dizer que os efeitos da gravidade são menos importantes do menor os objetos que consideramos (vivos ou inanimados).

Quando aos seres unicelulares, vemos que entre eles não há distinção entre para cima e para baixo. Para eles, a tensão superficial da água é muito mais importante do que a força da gravidade.

Basta observar que a tensão superficial é a força que molda uma gota de água.

A tensão superficial é um resultado de todas as moléculas e átomos que se  atraem um ao outro com uma força que chamamos de Van der Walls .

 Essa força tem uma gama muito curta. Para ser mais preciso, podemos dizer que a intensidade dessa força a uma distância r é aproximadamente proporcional a 1 / r exp7.

Quando os átomos e as moléculas são muito próximos uns dos outros são muito fortemente ligados por esta força.

Johannes van der Diderik Walls (1837 - 1923), no final de sua carreira apresentou uma tese que o faria famoso, "Sobre a continuidade do estado líquido e gasoso”.

Esse trabalho revolucionou o mundo científico, o famoso físico James Clerk Maxwell, ficou muito impressionado com sua leitura, aconselhou alguns pesquisadores começaram a estudar holandês, a língua de Walls Van der que receberam o Prêmio Nobel em 1910.

 Os tamanhos dos microrganismos unicelulares, plantas e animais, são medidos em mícrons, em que um mícron é 1/1000 de um milímetro, aproximadamente o tamanho da menor detalhe que pode ser vista com um microscópio comum.

O químico vê átomos como objetos aproximadamente esférica, com um diâmetro de um a vários angstrom, angstrom é 1/10.000, de um mícron, ou seja, 10 ¹ ⁰ m (um décimo de bilionésimo de metro).

Praticamente toda a massa de um átomo está em um pequeno grão localizado no centro, chamado de núcleo.

Estamos em um momento em que há uma convicção de que muito do desenvolvimento tecnológico do futuro dependerá da nossa capacidade de fabricar dispositivos com um tamanho entre os átomos  menor de que (<1 mm) e os dispositivos atuais (≈ 100 nm).

Com estas dimensões, o material mostra um comportamento distintivo, em muitos casos, de origem quântica, que não é um simples extrapolação das suas propriedades macroscópicas (mecânica, eletrônica, magnético, óptico ou químico), e, assim, são muitas vezes surpreendentes.

Estas dimensões correspondem ao limite território entre a química molecular e supramolecular e física do estado sólido.

O estudo da matéria em nano escala e sua utilização para a fabricação de compostos (componentes) e dispositivos com serviços avançados e inovadores são chamados, respectivamente, nanociência e nanotecnologia.