Engenharia da natureza

Querido leitor do Prisma, caso você seja um aspirante a aluno de engenharia, atualmente está cursando engenharia ou já é engenheiro, tenho uma má notícia para você: existe um lodo que provavelmente faz seu trabalho melhor do que você. Calma! Não vá desistir do vestibular nem da sua prova de mecânica dos fluídos e nem queime seu registro do CREA, esse lodo já está no ramo da engenharia e logística de transporte há um bom tempo! Apresento-lhes o Physarum polycephalum.

Olhando de longe, o P. polycephalum é só mais um lodo tentando encontrar seu lugar no mundo. Popularmente classificada como um bolor limoso, este lodo é um ser eucarioto multinucleado pertencente ao reino Amoebozoa, filo Mycetozoa e classe Myxogastria. Na maior parte do seu ciclo de vida, o P. polycephalum se encontra na forma de plasmodium – uma célula com muitos núcleos, formando um sincício. Assim como todo ser gosmento que se preze, o P. polycephalum só quer se alimentar, se reproduzir e ficar no escuro curtindo a vida, onde ele mais gosta.

Sendo um ser multinucleado e capaz de atingir tamanhos bem grandes (variando entre 10µm e 1m), este lodo desenvolveu um sistema de transporte interno de protoplasma bem inteligente e altamente adaptativo ao ambiente. O sistema é composto por túbulos que conectam as fontes de alimentos e oxigênio a todo o seu corpo. O diâmetro dos túbulos adapta-se ao fluxo de protoplasma no seu interior: quanto mais fontes de alimento determinado túbulo conectar, maior será o fluxo no seu interior e, portanto, este tubo se torna mais grosso. Por outro lado, caso determinado tubo seja pouco utilizado, este irá se tornar mais fino até desaparecer. Dessa maneira, os túbulos mais eficientes são promovidos em detrimento dos menos eficientes, desenvolvendo um sistema de transporte baseado na menor distância possível entre as fontes de alimento.

Apesar da aparente simplicidade, este sistema de transporte leva em consideração aspectos biológicos e logísticos relevantes para um funcionamento ideal: tamanho total do sistema, menor distância possível entre os pontos da rede e uma alta taxa de tolerância a erros de desconexão acidentais. Tais aspectos são altamente aplicáveis ao desenvolvimento de tecnologias e sistemas redes de comunicação como estradas, metrôs e redes elétricas.

A primeira evidência do sistema de resolução de problemas de distância entre pontos pelo P. polycephalum foi demonstrado em 2000 quando o Dr. Toshiyuki Nakagaki e colaboradores observaram que o lodo desenvolvia uma rede funcional dentro de um labirinto, aproveitando-se da menor distância possível entre as fontes de alimento (veja o vídeo acima). A partir desse experimento, o lodo engenheiro tornou-se notório e alguns estudos foram desenvolvidos aplicando tanto experimentalmente quanto teoricamente sua metodologia para soluções de transporte.

Rede de trem da grande Tokyo

Rede de trem da grande Tokyo

Um dos trabalhos mais interessantes (e ganhador do IgNobel de Planejamento de Transporte de 2010!) desenvolvidos tomando como base a rede formada pelo P. polycephalum foi publicado pelo grupo do mesmo Toshiyuki Nakagaki, em 2010. Neste trabalho, os pesquisadores representaram os principais pontos da rede de trem de Tokyo e das cidades próximas, como fontes de alimento e observaram como a rede desenvolvida pelo lodo se comparava com a rede física. Para deixar o trabalho mais plausível, os pesquisadores simularam as limitações geográficas como mar, terrenos montanhosos ou lagos com graus de luminosidade mais fortes sobre a placa de cultura (lembra que o P. polycephalum gosta mais do escurinho?), certificando-se assim de que o lodo utilizaria apenas caminhos plausíveis à rede de trem.

Dr. Toshiyuki Nakagaki

Como resultado, os pesquisadores observaram que a rede biológica (P. polycephalum) apresentou um alto grau de similaridade com a rede artificial (trem) em aspectos como custo-benefício da implementação da rede, eficiência do transporte e tolerância a erros. No entanto, os pesquisadores chamam a atenção de que o P. polycephalum foi capaz de desenvolver esta rede tão bem quanto os engenheiros japoneses sem ter um conhecimento global da situação ou um controle central de sua ação. A rede foi desenvolvida através do simples comportamento de reforço observado através do favorecimento de conexões funcionais e eliminação das redundantes.

Um estudo similar foi desenvolvido em uma parceria entre o Brasil e a Inglaterra no qual a rede rodoviária brasileira foi simulada. As 21 cidades mais povoadas do Brasil foram representadas como fontes de alimentos e o P. polycephalum iniciou sua rede a partir da cidade de São Paulo. Com exceção das rodovias Belo Horizonte – Cuiabá e Belo Horizonte – Campo Grande, a rede biológica apresentou um alto grau de similaridade com a rede rodoviária brasileira. Para deixar o trabalho ainda mais interessante e inovador, os pesquisadores simularam desastres como poluição química oriunda da Usina Nuclear de Angra dos Reis e ataques terroristas nos aeroportos de Recife e Brasília para observar como a rede se comportaria nessas situações. Vale a pena conferir!

O estudo do comportamento do lodo Physarum polycephalum vem permitindo alguns insights para os cientistas e engenheiros interessados em comportamentos de redes de transmissão e conexão de informação, tanto biológicas quanto artificiais. Esses insights geram aprimoramentos na tecnologia de redes elétricas, otimização de redes wireless e planejamento de transportes mais efetivos.

O campo de convergência entre áreas de estudo e pesquisa da biologia, matemática e engenharia permitem o desenvolvimento de algoritmos e tecnologias desafiadoras e inovadoras. Por um lado a biologia é capaz de prover informações de um sistema biológico, com seus problemas e soluções, testados e aprimorados durante anos através de um mecanismo de pressão ambiental. A matemática por sua vez é capaz de analisar os eventos envolvidos nesse processo, estudar suas interações e criar um modelo testável e aplicável teoricamente. Já a engenharia tem o poder de convergir este conhecimento em um produto final, dando luz a uma tecnologia nova com um forte embasamento teórico e aplicável.

Bem que o governo do Rio de Janeiro podia fazer umas culturas de P. polycephalum

 

Referências

Tero A. et al., 2010 Rules for biologically inspired adaptive network design Science

Nakagaki T. et al., 2000 Maze-solving by an amoeboid organism Nature

Watanabe S. e Takamatsu A., 2014 Transportation Network with fluctuating input/output designed by the bio-inspired Physarum algorithm PlosOne 

Zhang M. et al., 2014 P-bRS: A Physarum-based routing scheme for wireless sensor networks Scientific World Journal

Adamatzky A. e de Oliveira P., 2011 Brazilian highways from a slime mold’s point of view Kybernetes

Tero A. et al., 2007 A mathematical model for adaptative transport network in path finding by true slime mold J Theor. Biol.

Gao C. et al., 2014 An amoeboid algorithm for solving linear transportation problem Physica A

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