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Ciência engajada - O trabalho desenvolvido no Laboratório de Ciências Integráveis da USP

2004. Ano 1 . Edição 2 - 1/9/2004

Supercomputadores, realidade virtual, telemedicina e games. Os surpreendentes resultados de um laboratório que nasceu para caminhar de braços dados com a sociedade.

Por Andréa Wolffenbüttel, de São Paulo

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 Caverna Digital: viagem virtual pelo Rio de Janeiro e simulação de situações de risco para treinamento e avaliação

O pesquisador australiano Jeffrey Shaw fundou e dirigiu por anos o Institute for Visual Media do Center for Art and Media de Karlsruhe (ZKM) na Alemanha, um dos mais modernos centros de arte e mídia do mundo. Apesar da vitoriosa carreira no comando do ZKM, Shaw acabou se consagrando como artista, e foi nessa condição que se interessou pelo trabalho de um grupo de cientistas brasileiros. Ele acredita que as melhores ferramentas para sua próxima instalação artística podem ser criadas numa sala localizada dentro do campus da Universidade de São Paulo (USP), mais especificamente no Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI), da Escola Politécnica.

O laboratório não é muito conhecido no Brasil. "Nós temos de acabar com esse preconceito de que o Brasil não tem vocação para a ciência", diz o professor Marcelo Zuffo, diretor do LSI. "Hoje em dia temos de decidir apenas quando vamos produzir tecnologia, porque a capacidade nós já temos." O professor Zuffo fala do alto da experiência acumulada como gerente de um dos mais bem-sucedidos projetos de seu laboratório, o supercomputador.

Uma idéia pouco convencional garantiu o sucesso do projeto, logo no início da década de 1990: em vez de tentar construir circuitos integrados complexos e caros, os pesquisadores decidiram montar um supercomputador juntando diversos computadores normais, uma modalidade conhecida como cluster. Seria algo como colocar cem motores de caminhão para carregar uma só carroçaria e carga. O resultado foi um computador que atinge altíssima velocidade de processamento a um custo muito baixo. Foi o triunfo da criatividade dos brasileiros. Para se ter uma idéia da importância desta supermáquina basta lembrar que os Estados Unidos não apenas guardam a sete chaves a fórmula de desenvolvimento de supercomputadores, o que era de se esperar, como também, desde setembro de 2001, condenam as pesquisas nessa área devido às suas possibilidades de aplicação no setor militar. "Quando mando um aluno viajar levando equipamentos desse projeto fico sempre temeroso, porque sei que mais dia, menos dia algum deles será retido para interrogatório nos aeroportos norte-americanos", diz Zuffo.

A tecnologia desenvolvida no LSI ganhou o nome de commodity high performance, ou seja, alta performance obtida a partir de produtos fabricados em série. O principal benefício desse modelo é o preço. O supercomputador brasileiro chega a custar um décimo de seu equivalente estrangeiro. Mas custo está longe de ser a única vantagem. O sistema brasileiro ainda é imune a choques tecnológicos, porque quando surge um processador mais moderno no mercado basta substituir os componentes. Ele estará atualizado sem que se precise fazer novos investimentos em pesquisas. Além disso, a democratização do know-how é inegável. "Teoricamente qualquer um poderia ter um supercomputador em casa. Bastaria passar no supermercado, comprar vinte laptops e nós montaríamos um computador de alto desempenho", explica o professor.

Visitantes estrangeiros A simplicidade da solução atrai a atenção de investidores e pesquisadores. Zuffo tira a carteira do bolso e mostra alguns cartões de visitas que recebeu na semana passada. Pode-se ver o nome do vice-presidente mundial da Intel, uma gigante da indústria de processadores, acompanhado de um alto pesquisador do Ministério da Ciência e Tecnologia da Alemanha, ao lado do diretor-executivo do Media Lab do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), um dos mais reverenciados centros de pesquisa do mundo. Ideogramas aparecem nos cartões dos representantes de universidades da China e de Cingapura. Todos passaram pelo LSI para conversar sobre suas tecnologias. Estão abandonando as caríssimas construções de chips complexos e migrando para a montagem de supercomputadores em cluster. "Quando mando um estudante para o Instituto Tecnológico de Monterrey, ele não aprende nada e ainda instala nossos softwares em dez máquinas, fico com a certeza de que estamos não apenas par a par com o mundo: algumas vezes estamos adiante", diz Zuffo.

O LSI não está sozinho na empreitada de construir supercomputadores com a capacidade de fazer cálculos complexos e simulações a partir de componentes comuns. Nos Estados Unidos a empresa Virginia Tech construiu o terceiro supercomputador mais veloz do mundo a partir 1,1 mil chips G5 da Apple e o Centro de Aplicações em supercomputação de Illinois usou 100 chips do Playstation 2 para montar um computador de alto desempenho.

Se em termos científicos o LSI conquistou categoria internacional, em termos práticos convive com problemas bem brasileiros. Alguns bem visíveis para qualquer visitante, como a falta de espaço, os móveis gastos e as divisórias amareladas, que não deixam transparecer, em momento algum, os tesouros tecnológicos escondidos no laboratório. Mas o que pesa mesmo é a luta contra a falta de recursos, problema já tradicional na pesquisa acadêmica. No caso específico do LSI, a situação é difícil porque os estatutos da USP contemplam a existência de órgãos de produção de conhecimento, mas não voltados para a aplicação prática. "Quando a USP foi criada não havia esse tipo de preocupação e espero que a Lei de Inovação resolva esse problema", diz Zuffo.

Parceria Não há, no orçamento da universidade, uma verba específica para bancar o laboratório. Todos os projetos dependem de financiamento externo, seja governamental, privado, ou uma combinação de ambos. No caso do supercomputador, o desenvolvimento foi bancado pela Finep, a agência de financiadora de estudos e projetos do Ministério da Ciência e Tecnologia, e a finalização foi patrocinada pela Itautec, maior fabricante brasileira de computadores, que em troca recebeu o direito de comercializar o invento. A Itautec já é uma velha parceira. O LSI desenvolveu todos os modelos de servidores vendidos por ela. "Foi o trabalho do LSI que nos permitiu criar um produto comercial de alta qualidade, com know-how interno, que atendesse as necessidades de nossos clientes", diz Edson Takinaga, que há três anos é o responsável pela área de servidores de alto desempenho da Itautec.

Quando o LSI começou as pesquisas do supercomputador, por volta de 1985, se tratava mais de um conhecimento estratégico do que prático. As aplicações das máquinas de alto processamento eram voltadas basicamente para fins militares, exploração de petróleo e meteorológicas. Passados quase vinte anos, o supercomputador mostrou-se útil em diversas áreas muito mais próximas do cidadão comum: saúde, educação, governo eletrônico e entretenimento, entre outras. Por isso, ninguém se espanta ao entrar numa sala do laboratório e encontrar um grupo de estudantes animadamente operando uma máquina de videogame. Eles não estão brincando, estão desenvolvendo aplicações que diminuem o peso das importações brasileiras de software. O grupo tem um nome interessante: Núcleo de Aprendizado, Trabalho e Entretenimento (Nate), que resume o espírito de estudar, trabalhar e se divertir, tudo ao mesmo tempo. Eles são coordenados pela professora Roseli de Deus Lopes, uma das poucas mulheres nesse reduto predominantemente masculino.

O ramo de jogos eletrônicos é visto por muitos como um subproduto da informática, mas desempenha um papel fundamental na evolução dessa ciência. "Nós só temos computadores espalhados em todas as casas porque os fabricantes de games precisavam encontrar soluções baratas para seus produtos. Se dependêssemos apenas das pesquisas governamentais, as máquinas seriam caras e inacessíveis até hoje. Os primeiros processadores a serem fabricados em escala industrial foram os do game Atari", explica Luciano Pereira Soares, um engenheiro de computação de 27 anos, que junto com seu colega, Márcio Calixto Cabral, da mesma idade, cuida do mais ambicioso projeto de realidade virtual desenvolvido no Brasil, a Caverna Digital.

Esse nome estranho, com sabor de pré-história, define um cômodo cujas paredes e chão são telas que recebem imagens projetadas em perfeita sincronia, de modo que quem está dentro, equipado com óculos especiais, tem a sensação de estar num ambiente real. Em princípio, parece um cinema 3-D, mas logo se percebe a diferença. O espectador interfere no espetáculo e o comanda. No programa de demonstração da Caverna Digital é possível fazer um passeio por um ensolarado Rio de Janeiro. O percurso começa do alto, com uma vista geral da cidade. A um comando pode-se ir para o Sambódromo ou para o Maracanã. Melhor ainda, ir para a praia. Se Ipanema não é a preferida, é só apertar um botão e a imagem voa suavemente para Copacabana. Se o calor estiver forte, é só dobrar à esquerda e entrar numa rua à procura de um restaurante, um banco ou uma farmácia. Tudo estará lá, como na cidade real.

Utilidade A aplicação mais óbvia para a realidade virtual é na área da segurança. Dispondo de uma foto de satélite de qualquer cidade é possível planejar exatamente como ocupá-la ou vigiá-la. Foi assim que os pracinhas brasileiros das Forças de Paz da ONU conheceram Port-au-Prince antes de tomar o avião para o Haiti. Também é possível visitar uma plataforma marítima de extração de petróleo com os pés bem firmes na terra, e descobrir como sair dela numa situação de emergência.

A Petrobras está negociando com o LSI o desenvolvimento de um programa de treinamento para a sua equipe utilizando uma outra capacidade da realidade virtual: a de simular situações. A aula de fuga da plataforma seria dada em condições de incêndio, ou de naufrágio, simuladas pelo software da Caverna Digital, para checar o comportamento dos funcionários em condições extremas. E não só as pessoas podem ser avaliadas. A plataforma pode ser colocada num mar extremamente revolto, e os cálculos mostrarão se ela resistiria, apresentando na tela qual o limite do equipamento e em que ponto ele cederia. "A realidade virtual é uma ferramenta usada por todas as empresas de prospecção de petróleo. As máquinas estrangeiras são caríssimas e muitas vezes não podem ser adaptadas perfeitamente às nossas necessidades. Firmamos o acordo com o LSI no ano passado e já recebemos o primeiro protótipo", diz Heitor Araújo, gerente de métodos científicos do Centro de Pesquisas da Petrobras.

Para a indústria automobilística e para a aeronáutica, a realidade virtual representa uma economia significativa de tempo e dinheiro. Em vez de construir maquetes em tamanho real, que precisam ser refeitas a cada modificação do produto, os engenheiros podem avaliar o aspecto visual e o desempenho técnico de novos carros e aviões dentro da Caverna Digital, além de corrigir falhas com a reprogramação das imagens. Mais uma vez a solução encontrada pelos pesquisadores do LSI é mais barata e tão eficiente quanto os modelos disponíveis no mercado internacional.

O desenvolvimento da Caverna Digital começou em novembro de 2000 e consumiu um milhão de reais em equipamentos financiados pelo Finep. Ao final de três anos, o LSI conseguiu entregar um simulador de realidade que não custaria menos de dois milhões de dólares se adquirido dos fornecedores estrangeiros, além de garantir o domínio da tecnologia.

Educação "As cavernas compradas prontas são como caixas-pretas, não podemos abri-las ou alterá-las, enquanto que a nossa pode ser programada de acordo com as nossas necessidades", explica Soares. Nas últimas duas edições da Sig Graph, a principal feira mundial de computação gráfica, que acontece anualmente em Los Angeles, ele e seu colega Cabral estiveram presentes. Não foram aprender, mas dar cursos sobre como construir supercomputadores para realidade virtual. Em julho a Caverna Digital deixou o galpão improvisado onde fica instalada para viajar até a Sig Graph. Os participantes tiveram a oportunidade de conhecer as belezas do Rio de Janeiro.

O maior sonho dos dois jovens engenheiros que comandam o projeto, entretanto, está longe dos holofotes das feiras internacionais e mais próximo das salas de aula espalhadas pelo país. Eles empenham-se em construir versões muito mais baratas da Caverna Digital, chamadas de Grutas Digitais, que possam ser transportadas e montadas nas escolas. Dentro das grutas, as crianças viajariam pelo mundo, observando paisagens, rios e montanhas que hoje só aparecem nas fotos dos livros didáticos. Digamos que as aulas de geografia seriam mais parecidas com as férias.

Soares e Cabral não são os únicos, dentro do LSI, que trabalham de olho nas crianças. Adilson Hira, um engenheiro tímido, de origem japonesa, comanda uma equipe de quarenta pesquisadores de seis estados que estão construindo um portal muito especial na internet. "Nosso portal acabou de ser lançado, e trata do câncer", diz Hira. O projeto, que se chama Portal de Oncopediatria, é uma espécie de programa tutorial para tratamento do câncer infantil. Ele disponibiliza os protocolos mais modernos com todas as indicações de diagnóstico e terapias.

A idéia surgiu há quatro anos, quando médicos do Instituto da Criança do Hospital das Clínicas de São Paulo observaram o alto número de pacientes vindos de Roraima e pediram ao LSI que desenvolvesse uma tecnologia que evitasse a viagem dos doentes. A primeira solução foi a criação de um sistema de vídeo-conferência e os resultados foram animadores. Os especialistas atendiam à distância as crianças do Hospital de Base de Rio Branco. "As discussões mostravam exatamente o que estávamos tratando, então chegávamos a conclusões firmes, o que facilitava a condução das terapias e dava mais segurança aos pacientes", conta o dr. Robinson Machado, Coordenador de Telemedicina do Hospital de Base de Porto Velho.

Em pouco tempo os especialistas perceberam que o problema maior não era o traslado dos enfermos, senão a falta de preparo dos médicos. Foi organizado, então, um curso à distância de pós-gradução em oncopediatria. Mas ele teve de ser interrompido ao final do primeiro semestre porque perdeu o apoio da Embratel, que cedia a linha de transmissão da vídeoconferência. Essa experiência foi a semente do Portal de Oncopediatria. Foram necessários dois anos para montar os equipamentos, parte deles doados pela Intel, e para preparar os softwares que orientam os médicos. Hoje cada paciente é cadastrado no sistema, todos os exames e sintomas são registrados e o programa fornece o diagnóstico e os detalhes do tratamento com as técnicas mais modernas. Ele também gera uma agenda do doente, que informa ao médico quais os acompanhamentos e avaliações a serem feitos. De acordo com os resultados dos exames, o Portal faz ajustes até atingir a forma mais adequada de terapia para cada criança. "Nossa responsabilidade é muito grande. O sistema não pode sair do ar e o programa não pode falhar porque as conseqüências seriam mortais, de verdade. Esse portal é mais seguro do que um banco" garante Hira.

O objetivo é que, dentro de algum tempo, todos os casos de câncer infantil estejam na base de dados, já que todos os médicos, em qualquer parte do país, podem acessar o Portal. Então será possível elaborar indicadores confiáveis da doença no Brasil. Atualmente as estatísticas de saúde são feitas a partir de dados norte-americanos, ou seja, supõe-se que exista algo em torno de 50 mil crianças brasileiras vítimas de câncer, porque esse número corresponde a uma projeção que parte da população dos Estados Unidos e da incidência da doença lá. "Vai ser uma felicidade indescritível se daqui a quatro ou cinco anos percebermos um avanço nos números, se descobrirmos que nosso trabalho está mesmo salvando vidas", diz Hira. E para encurtar o caminho até esse final feliz, ele se empenha sete dias por semana, doze a quatorze horas por dia. A luz de sua sala é sempre a última a ser apagada.

Hira não está sozinho nesse entusiasmo. O professor Zuffo conta que trabalhou meses de graça para esse projeto por um motivo muito pessoal. Há três anos sua irmã foi desenganada por causa de um linfoma. Os médicos diziam que era preciso submetê-la a procedimentos extremamente dolorosos e, mesmo assim, a previsão de sobrevivência era apenas de três meses. O desespero tomou conta da família, até procurarem o Dr. Vicente Odone Filho, um dos mais respeitados oncologistas do Brasil, que atende no Hospital das Clínicas e no Hospital Sírio-Libanês, em São Paulo. Calmamente ele informou que os médicos estavam apenas desatualizados, os novos protocolos indicavam outras terapias e as perspectivas de cura eram de 90%. "Minha irmã recuperou-se, está bem, se casou, tem uma vida normal. Por isso não meço esforços para colocar esse portal no ar. Eu sei o valor da informação e quero que todos os médicos trabalhem com os métodos mais modernos", diz Zuffo, emocionado. "É uma experiência inédita em termos de democratização do conhecimento médico, da troca de experiências e de registros. Começará restrito ao câncer pediátrico, mas o êxito desse empreendimento pode ser uma marca para todos os outros tipos de câncer", diz o dr. Odone.

Por trás do Portal de Oncopediatria e da Caverna Digital estão alguns dos supercomputadores desenvolvidos no LSI. E dentro de cada um dos supercomputadores estão minúsculas fatias de silício gravadas, responsáveis pela capacidade de processamento do computador. Essas pecinhas, amplamente conhecidas como circuitos integrados, e que fazem parte de todos os equipamentos eletrônicos, estavam presentes, em 1975, no nascimento do LSI. O primeiro grande sucesso do laboratório foi a construção de uma mini-fábrica de circuitos integrados, a chamada "sala limpa". O professor João Antônio Zuffo, pai do professor Marcelo, idealizador e coordenador geral do LSI, queria investir em pesquisas para suprir as lacunas tecnológicas que dificultam o avanço da indústria nacional. "Essa é uma marca que diferencia nosso laboratório. Além de realizar pesquisas no campo da ciência pura, nós investimos na busca de soluções que possam ser transferidas à sociedade e transformar a realidade do nosso parque industrial", explica o professor Nilton Morimoto, que há dezoito anos trabalha na "sala limpa" formando gerações de cientistas. A função didática da minifábrica é muito importante porque, como diz o professor Morimoto, ninguém aprende a dirigir assistindo aulas e ninguém entende como se grava um circuito de silício se não puder participar da construção. São 48 etapas seqüenciais e se uma der errado, tudo dá errado.

A realidade econômica e tecnológica brasileira não permitiu grandes avanços na pesquisa. A tecnologia importada é mais moderna e barata e é mais fácil importar os processadores. Para adequar-se ao novo panorama, o foco da "sala limpa" passou a ser a produção de sensores eletrônicos equipados com chips programados para poucas funções específicas. Essa é a área que concentra o maior número das pesquisas comandadas pelo professor Morimoto.

Ele entusiasma-se ao falar do desenvolvimento de sensores microfluídicos, mostrando o que parece ser apenas um pedaço de plástico cinza de cerca de dois centímetros quadrados. "Este sensor serve para medir as características de um fluido que passe por ele. É capaz, por exemplo, de fazer uma análise a partir de uma gota de sangue e dar todos os resultados de um hemograma normal em questão de segundos. Hoje já existem equipamentos assim, mas custam algumas dezenas de milhares de dólares. Nós trabalhamos para produzir esses aparelhos no Brasil pela metade ou por um terço do preço."

Mesmo empenhado em pesquisas tão importantes, o professor Morimoto não consegue disfarçar uma certa frustração pelo fato de o Brasil ter perdido o boom da microeletrônica na década de 1990, o que obrigou a "sala limpa" a mudar de rumo. "Hoje não podemos conduzir nenhuma pesquisa secreta, porque na hora em que precisamos de circuitos complexos, temos de encomendá-los fora do país", lamenta. E não está sozinho nesse ressentimento.

O pesquisador João Navarro, que trabalha na área de projetos do LSI convive diariamente com a dependência dos serviços estrangeiros sempre que chega à etapa industrial de suas tarefas. "Nós temos o domínio intelectual da microeletrônica. Eu consigo projetar toda a programação que deve ser gravada num circuito integrado, mas infelizmente não dispomos de fábricas capazes de construir esses chips."

Uma fábrica de microprocessadores custa de um a dois bilhões de dólares e o Brasil não tem um mercado que justifique um investimento desse porte. "Aliás, há pouquíssimos países no mundo que têm uma demanda interna que cubra os custos de instalação de uma planta tão cara. Todas essas fábricas são fornecedoras globais", diz Navarro. Essa realidade pode mudar se vingar a Política Industrial Tecnológica e de Comércio Exterior do governo federal, que elegeu o setor de semicondutores como uma opção estratégica.

E, de qualquer forma, os problemas estão longe de minar a paixão dos cientistas que passam anos trabalhando com a convicção de quem está fazendo a história.

 
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