Em um conto do escritor Isaac Asimov, existe uma IA tão avançada que consegue resolver as equações da mecânica quântica e da relatividade geral; e projetar uma nave de dobra espacial (tipo aquelas do Star-Wars) e esta mesma IA a constrói, utilizando uma espécie de impressão 3D com auxílio de robôs. Por mais utópico que possa parecer esse futuro, aplicações de IA na ciência de ponta vêm crescendo tanto (impulsionados também pela indústria) que não é mais tão difícil imaginar tais feitos como deve ter sido para o Asimov ainda na década de 50.

O desenvolvimento da ciência básica é importante não apenas para responder questões fundamentais da natureza e de interesse da humanidade, como também impulsiona o desenvolvimento de novas tecnologias das quais o uso prático ainda nem existe. Sendo assim, motivados em grande parte pela sua popularização na indústria 4.0, o uso de algoritmos de ML e IA vêm favorecendo o avanço de áreas na pesquisa básica de uma forma que ainda nem podemos prever as repercussões dos estudos que estão sendo feitos neste instante. (Afinal, quem diria, no início do séc. XX, que algo tão teórico quanto a física quântica fosse nos levar a uma revolução digital, graças à miniaturização dos transistores?)

IA na ciência básica

Dentre os principais usos da IA na ciência básica, podemos destacar algumas aplicações na física, química e biologia. Porém, adianto que, nos últimos anos, devido à popularização dos algoritmos e à capacidade de processamento computacional, tais aplicações tornaram-se inúmeras nas mais diversas áreas da atividade humana.

Aplicações de ML na física de partículas

O Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), localizado na fronteira da França com a Suíça, é a maior máquina já construída pelo homem. Tem um formato de um anel com 27km de circunferência e seu propósito principal é compreender a estrutura básica da matéria em seu estado mais fundamental.

No LHC, e em institutos de pesquisa que colaboram com o CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear, instituição que administra o LHC), são armazenados, processados e analisados 15 petabytes de dados por ano (não é à toa que foi no CERN que nasceu o protocolo WWW, ainda no século passado, para o compartilhamento dos dados dos primeiros colisores construídos lá). Isso se deve, em grande parte, ao sistema de “gatilhos” (triggers) que seleciona ainda no nível de hardware apenas 200 dos quase 1 bilhão de eventos de interesse por segundo que o acelerador produz quando está ligado. Por isso, em suas últimas atualizações, os grupos de pesquisa vinculados ao CERN vêm testando e aprimorando algoritmos de Machine Learning para selecionar eventos de interesse em todos os níveis de triggers do LHC.

Além de reduzir o custo de processamento e armazenamento dos dados, o processamento com IA evita falhas humanas e intensifica as chances de um evento apresentar uma reação nunca antes vista (vale lembrar que o bóson de Higgs, descoberto em 2012, foi verificado em alguns poucos eventos de trilhões que foram previamente analisados). Atualmente, devido à sua riqueza e complexidade, os conjuntos de dados abertos do LHC são reanalisados por grupos de pesquisa do mundo todo, que podem testar e desenvolver seus próprios sistemas de análise.

O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), vinculado ao Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais, opera no Brasil um dos maiores aceleradores do mundo, capazes de produzir luz síncrotron, radiação que, segundo as palavras do próprio site da instituição, “pode ser utilizada para investigar a composição e a estrutura da matéria em suas mais variadas formas, com aplicações em praticamente todas as áreas do conhecimento”. Todo o projeto do SIRIUS, além de fomentar o desenvolvimento da tecnologia e inovação nacional desde a planta, promove treinamentos e investe na capacitação de cientistas para que estes possam usar IA e ML para analisar os dados provenientes do experimento, principalmente na representação gráfica dos dados experimentais.

Recentemente, foi publicado um artigo que utilizou dados do experimento para investigar a estrutura interna e a síntese proteica do vírus SARS-CoV-2, estudo importantíssimo para entender possíveis mecanismos de ação contra o vírus que ainda podem ser desenvolvidos.

Aplicações de IA na astrofísica

Outra aplicação interessante que fez avançar mais um pouco a compressão humana sobre a natureza foi o uso da IA para reconstruir a primeira imagem de um buraco negro. A conhecida “foto” do buraco negro que circulou em todas as mídias foi fruto de “toneladas” de dados, cuidadosamente adquiridos, armazenados e processados.

O Prêmio Nobel de física de 2020 foi dividido entre três pesquisadores pelas suas contribuições na descoberta e caracterização de propriedades de buracos negros. Nesse contexto, a primeira foto de um buraco negro, divulgada naquele mesmo ano, foi fruto da coleta de dados provenientes de 8 telescópios espalhados pelo globo (incluindo um na América do Sul e outro na Antártica).

Dito de maneira simples, o algoritmo de IA responsável por recriar a imagem foi alimentado durante anos com os dados destes telescópios que estavam apontados para o centro de uma galáxia a cerca de 50 milhões de anos luz da nossa. Como cada telescópio só via “uma parte” do centro da galáxia, foi preciso usar IA para reconstruir a imagem. Para verificar se o algoritmo não estava apenas reproduzindo aquilo que eles queriam ver, o time responsável no MIT, liderado por Katie Bouman, treinou a mesma IA com diferentes conjuntos de imagens. O resultado foi surpreendente. Quando alimentada com dados dos telescópios, todas as IA convergiam para reconstruir a mesma imagem do buraco negro no centro da galáxia M87.

Diferentes conjuntos de treino criam a mesma imagem do buraco negro. Fonte: TED talk by Katie Bouman 

Uso de IA na estabilização de fusão nuclear

Outro uso interessante de IA, que pode vir a ter implicações de médio prazo em nossas vidas, é o uso de aprendizagem de máquina para controlar um reator de fusão nuclear.

A fusão nuclear é o combustível pelo qual as estrelas (incluindo o nosso Sol) produzem tanta energia. Se dominada pelo homem (ou por uma IA), ela seria capaz de gerar muito mais energia que Itaipu, a maior usina hidrelétrica do planeta. Claro que este ainda é um cenário hipotético, afinal os reatores de fusão atuais ainda enfrentam diversos problemas, tanto na sua construção quanto na manutenção em atividade. Um desses desafios, especialmente em reatores do tipo Tokamak, é manter o plasma de hidrogênio (estado da matéria onde os átomos estão totalmente ionizados) estável, já que para isso é necessário controlar e ajustar vários parâmetros do campo magnético dentro do reator.

A reação de fusão precisa ocorrer em uma câmara de vácuo no interior do reator, e este campo é ao mesmo tempo responsável por fundir os átomos de hidrogênio quanto de evitar com que o plasma ultra-aquecido (que pode chegar a temperaturas mais elevadas que a do núcleo solar) entre em contato com a parede do reator, o que levaria a sérios acidentes.

Pensando nisso, a empresa DeepMind desenvolveu um algoritmo de ML que aprende com os dados obtidos do reator um ajuste ótimo de todos os parâmetros para que se controle o campo magnético interno do processo de fusão. Recentemente, o uso desta IA, ainda em estado de desenvolvimento, conseguiu manter a fusão ativa por 2 segundos no reator do Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne. Esse reator é de testes e foi projetado para manter uma fusão por no máximo 3s, porém o recorde mundial é de um grupo no Reino Unido, que conseguiu manter uma fusão por 5 s, mas ainda com o auxílio de um operador humano.

Sensoriamento remoto e monitoramentos de queimadas

Temos também uma aplicação interessante de IA em solo brasileiro. É o caso do INPE (Instituto Brasileiro de Pesquisas Espaciais), que coleta dados de queimadas e desmatamento na floresta amazônica desde 1984. Nesta época, a coleta ainda era feita utilizando computadores com sistema operacional DOS, e o processamento das imagens era feito num poderoso PC-XT com processador de 4,7 MHz, 32 KB de memória e um HD de 20 MB (verdade seja dita, nada mal para a época).

O primeiro mapa de queimadas na Amazônia foi lançado em parceria com a NASA em 1996. Desde então, existem satélites polares e geoestacionários que coletam dados diariamente da floresta e que são disponibilizados de forma gratuita na plataforma TerraBrasilis, mantida pela instituição.

Dito isso, podemos perceber que esta série temporal de dados que o INPE possui é valiosíssima, e possibilita fazer diversos estudos com aplicação de ML e DL. A principal vantagem desse tipo de análise é combinar os dados das séries temporais do INPE com dados recentes de nano satélites, de altíssima resolução, para fazer regressões, monitoramento e previsão quanto ao bem-estar da maior floresta tropical do mundo. Segundo Lucas Fonseca, CEO da Airvantis, uma empresa de pesquisa espacial, um cenário ideal seria o financiamento de uma startup para desenvolver uma metodologia baseada em inteligência artificial para poder analisar as imagens obtidas em grande quantidade e combiná-las com os dados do INPE.

Emprego de técnicas IA na produção de vacinas e edição genômica

Por fim, a aplicação de IA na Ciência vai além. Sabemos que técnicas de IA foram amplamente utilizadas para investigar o vírus causador da Covid-19 e, principalmente, no desenvolvimento de vacinas.

Dave Johnson, chefe de dados e Inteligência Artificial da Moderna, comenta que graças à automação robótica e algoritmos de IA, eles passaram de 30 para cerca de mil testes com mRNA por mês, com muito mais consistência e qualidade nos resultados. Além disso, ele ainda comenta que outro uso importante no laboratório foi para síntese de proteínas, que, devido à sua complexidade, podem ser construídas numa infinidade de combinações a partir de aminoácidos mais simples.

Graças à riqueza nos dados históricos do laboratório, hoje é possível que um cientista desenvolvendo uma sequência para um tratamento específico possa apenas clicar um botão e a IA retorne a melhor sequência para aquele procedimento. Ademais, técnicas de ML, associadas com procedimentos de edição genética como o CRISPR, já são aplicadas com terapias de gene na área médica e na agricultura para a produção de versões mais sustentáveis de maior rendimento e de alguns transgênicos já amplamente utilizados na indústria.

Leia também: Onde grandes empresas utilizam Inteligência Artificial?

Aplicações de IA na Ciência – Conclusão

Estamos passando por uma nova revolução industrial, e no meio do turbilhão de novos conceitos, aplicações e novas tecnologias, ainda é difícil saber exatamente quais os rumos que a Indústria 4.0 irá tomar. Não obstante, já podemos entrever alguns dos benefícios do uso de IA na Ciência e de análise avançada de processos, não só no terceiro setor, agregando valor em produtos e serviços, como também motivados por governos e instituições de pesquisa básica, em todas as esferas do conhecimento humano, que veem na cultura de dados oportunidades de fazer a vela no escuro da ciência brilhar um pouco mais.

Gostou de saber mais sobre os usos de IA na Ciência? Deixe seu comentário.

Referências:

http://revistaquestaodeciencia.com.br/dossie-questao/2019/11/08/como-os-incendios-amazonicos-sao-medidos-do-espacohttps://www.lnls.cnpem.br/news/first-study-published-with-data-collected-on-sirius/

https://deepaksingh-rv.medium.com/the-ai-behind-getting-the-first-ever-picture-of-a-black-hole-c483e8eb6a21

https://deepmind.com/blog/article/Accelerating-fusion-science-through-learned-plasma-control

https://home.cern/news/news/physics/speeding-machine-learning-particle-physics

http://revistaquestaodeciencia.com.br/dossie-questao/2019/11/08/como-os-incendios-amazonicos-sao-medidos-do-espaco

https://sloanreview.mit.edu/audio/ai-and-the-covid-19-vaccine-modernas-dave-johnson/

https://www.lhc-closer.es/taking_a_closer_look_at_lhc/0.lhc_data_analysis

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34161210/

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