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Uma nova ferramenta de edição de genes pode rivalizar com o CRISPR e fazer milhões de edições de uma só vez

Com a ascensão meteórica do CRISPR como uma maravilha da edição de genes, é fácil esquecer suas origens humildes: ele foi descoberto pela primeira vez como uma peculiaridade do sistema imunológico bacteriano.

Parece que as bactérias têm mais a oferecer. Este mês, uma equipe liderada pelo famoso biólogo sintético Dr. George Church, da Universidade de Harvard, sequestrou outra estranha peça da biologia bacteriana. O resultado é uma ferramenta poderosa que pode – em teoria – editar simultaneamente milhões de sequências de DNA, com um “código de barras” para acompanhar as mudanças. Tudo isso sem quebrar uma única e delicada fita de DNA.

Por enquanto, essas ferramentas biológicas, chamadas de “Retron Library Recombineering (RLR)”, só foram testadas em células bacterianas. Mas, como mostra a jornada do CRISPR para a terapia gênica, mesmo as descobertas mais estranhas de criaturas inferiores podem catapultar nossos sonhos mais loucos de terapia gênica ou biologia sintética em realidade.

“Este trabalho ajuda a estabelecer um roteiro para o uso de RLR em outros sistemas genéticos, o que abre muitas possibilidades interessantes para pesquisas genéticas futuras”, disse Church.

Mas, por que o CRISPR é inadequado?
Retrons são estranhos. Em vez disso, vamos começar com CRISPR.

Você já deve estar familiarizado com o funcionamento. Existem dois componentes: um tipo de RNA e uma proteína. O RNA guia “bloodhound” amarra a proteína Cas “tesoura” a um gene específico. Na versão clássica, Cas corta o gene para desligá-lo. Avanços mais recentes permitem que Cas substitua uma letra genética específica ou corte vários genes de uma vez.

Para a versão cortar e substituir, à medida que o gene se cura, muitas vezes ele procura um modelo. CRISPR pode transportar um gene modelo para a célula confiar. Desta forma, a célula é enganada em uma edição de cópia genética: substituindo uma frase genética defeituosa por outra que seja biologicamente gramatical.

O problema com o CRISPR é a fragmentação do DNA. Se você já cortou uma frase em seu telefone, percebeu que cortou os pedaços errados, colou de volta com outra mensagem que agora não faz sentido e clicou em enviar – bem, isso é meio análogo ao que pode acontecer com CRISPR. O perigo de danos ao nosso genoma aumenta quando precisamos editar vários genes. Isso se torna um grande problema na biologia sintética, que usa a manipulação genética para conferir às células novas habilidades ou até mesmo criar organismos completamente novos.

As células são criaturas teimosas desenvolvidas a partir de eras de evolução, então mudar um único gene raramente é suficiente para fazer com que, por exemplo, uma bactéria bombeie biocombustíveis ou medicamentos, tornando necessária a edição de genes multiplexados. A maioria das células também se divide rapidamente, de modo que é essencial para qualquer modificação genética durar gerações. CRISPR freqüentemente luta com ambos. A equipe da Igreja acha que tem uma solução.

Conheça Retrons
A nova ferramenta é chamada de RLR, e o primeiro “R” significa retrons. Essas são criaturas amplamente difundidas, mas totalmente misteriosas, cuja “biologia natural … é amplamente desconhecida”, escreveu a equipe, embora semelhante ao CRISPR, eles podem estar envolvidos no sistema imunológico bacteriano.

Descobertos pela primeira vez em 1984, os retrons são fitas flutuantes de DNA em algumas células de bactérias que podem ser convertidas em um tipo específico de DNA – uma única cadeia de bases de DNA denominadas ssDNAs (sim, é estranho). Mas isso é uma notícia fantástica para a edição de genes, porque as sequências de DNA de fita dupla de nossas células tornam-se cadeias simples impressionáveis ​​quando se dividem. Sincronismo perfeito para uma isca e troca de retrons.

Normalmente, nosso DNA existe em hélices duplas que são firmemente envolvidas em 23 feixes, chamados cromossomos. Cada feixe de cromossomos vem em duas cópias e, quando uma célula se divide, as cópias se separam para se duplicar. Durante esse tempo, as duas cópias às vezes trocam genes em um processo chamado recombinação. É quando os retrons podem entrar furtivamente, inserindo sua progênie ssDNA na célula em divisão. Se eles carregam novos truques – digamos, permitir que uma célula de bactéria se torne resistente a drogas – e se inserem com sucesso, então a progênie da célula herdará essa característica.

Por causa da maquinaria natural da célula, os retrons podem se infiltrar em um genoma sem cortá-lo. E eles podem fazer isso em milhões de células em divisão ao mesmo tempo.

“Descobrimos que os retrons deveriam nos dar a capacidade de produzir ssDNA dentro das células que queremos editar, em vez de tentar forçá-los a entrar na célula de fora, e sem danificar o DNA nativo, que são qualidades muito atraentes”, disse o estudo. autor Dr. Daniel Goodman.

A fabricação de RTR
Semelhante ao CRISPR, o RTR tem vários componentes: o fragmento genético que contém uma mutação (a isca) e duas proteínas, RT e SSAP (transcriptase reversa e proteínas de anelamento de fita simples), que transformam o retron em ssDNA e permitem que ele se insira em uma célula em divisão.

Como em Game of Thrones, há muitos jogadores. Então, para deixar mais claro: os retrons carregam o código genético que queremos inserir; RT o torna em uma forma mais compatível que é chamada de ssDNA; e o SSAP o cola no DNA enquanto ele se divide. Basicamente, um cavalo de Tróia invade a célula e despeja espiões que se inserem na célula – mudando seu DNA – com a ajuda de mágicos enzimáticos.

As duas proteínas são novas para a festa. Anteriormente, os cientistas tentaram usar retrons para edição de genes, mas a eficiência era extremamente baixa – cerca de 0,1 por cento de todas as células bacterianas infectadas. Os dois recém-chegados acalmaram o “sistema de alarme” natural da bactéria que corrige as alterações no DNA – então eles ignoram os novos bits de DNA – e permitem que as edições entrem e passem para a próxima geração. Um outro truque era neutralizar dois genes que codificam proteínas que normalmente destroem o ssDNA.

Em um teste, a equipe descobriu que mais de 90 por cento das células bacterianas admitiram prontamente a nova sequência retron em seu DNA. Em seguida, eles ficaram grandes. Comparados ao CRISPR, os retrons têm uma vantagem, pois sua sequência pode atuar como um código de barras. Isso significa que é possível realizar vários experimentos de edição de genes ao mesmo tempo e descobrir quais células foram editadas com qual retron sequenciando o código de barras.

Em um teste de prova de conceito, a equipe explodiu algumas células de bactérias com retrons que continham sequências de resistência a antibióticos. Ao sequenciar apenas as letras do DNA dos retrons de um pool de bactérias tratadas com antibióticos, eles descobriram que as células com retrons – dando-lhes o novo superpoder contra as drogas – permaneceram em porções muito mais altas do que outras células.

Em outro teste, a equipe tentou determinar quantos retrons eles poderiam usar de uma vez. Eles pegaram outra cepa de bactéria resistente a antibacterianos e dividiram seu genoma para construir uma biblioteca de dezenas de milhões de retrons. Eles então colocaram esses pedaços em bambolês de DNA – chamados de plasmídeos – e os colocaram em células de bactérias. Como antes, a equipe poderia facilmente encontrar os retrons que conferiam poder antibacteriano sequenciando os códigos de barras daqueles que permaneceram vivos.

Mas por que?
É assim que funciona. Mas qual é o porquê?

O objetivo é fácil: encontrar outra solução para o CRISPR que possa influenciar milhões de células de uma vez, sem danificar as células. Em outras palavras, leve a edição de genes para a era do big data, por meio de várias gerações.

Comparada ao CRISPR, a nova ferramenta RLR é mais simples porque não requer uma ferramenta de “guia” além de uma ferramenta de “edição” – um retron é basicamente um dois em um. Ser capaz de influenciar vários genes ao mesmo tempo – sem cortá-los fisicamente – também o torna uma ferramenta intrigante para a biologia sintética. A ferramenta também tem poder de permanência. Em vez de um etos CRISPR “um e pronto”, dura por gerações à medida que as células se dividem.

Dito isso, a RTR tem concorrência. Como funciona melhor com células em divisão, pode não ser tão poderoso em células relutantes que se recusam a se dividir – por exemplo, neurônios. Por outro lado, as atualizações recentes do CRISPR tornaram possível também ativar ou desativar genes – sem cortá-los – por meio da epigenética.

Mas RLR oferece escala. “Ser capaz de analisar bibliotecas mutantes com código de barras agrupadas com RLR permite que milhões de experimentos sejam realizados simultaneamente, permitindo-nos observar os efeitos das mutações no genoma, bem como como essas mutações podem interagir umas com as outras”, disse Church.

Shelly Fan para SingularityHub.

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O Google está desenvolvendo uma ferramenta de videoconferência em 3D semelhante a um holograma, chamada Projeto Starline

O fim da pandemia parece estar próximo, mas provavelmente trouxe mudanças duradouras à maneira como trabalhamos, vivemos e nos conectamos. Como as viagens começam a decolar novamente e muitos funcionários voltam aos seus escritórios, outros estão optando por ficar parados, tanto em suas cidades como dentro de suas casas. “Por que voar pelo país para uma reunião quando você pode fazer no Zoom?”, Prossegue o raciocínio. Embora ainda haja um valor imenso e insubstituível em ver outros humanos cara a cara, as empresas estão apostando em pessoas que desejam ou precisam de ferramentas melhores para conexão remota.

Uma dessas empresas é o Google. Esta semana, o gigante das buscas na Internet revelou o Projeto Starline, uma ferramenta de bate-papo por vídeo semelhante a um holograma que faz parecer que a pessoa com quem você está falando está na mesma sala.

O que está na mesma sala é uma cabine, não muito diferente de uma que você sentaria em um restaurante, exceto que esta é decorada com câmeras e sensores. Eles capturam sua imagem e movimentos de vários pontos de vista, e essas imagens são transmitidas para um estande semelhante em uma sala diferente (seja no mesmo prédio ou em outro estado). Você vê a pessoa com quem está se encontrando em uma tela de campo de luz, uma tecnologia que funciona cortando o volume de uma imagem radialmente (da mesma forma que você cortaria um bolo). Também há áudio espacial, fazendo com que pareça que o som da voz da outra pessoa está ao seu redor, em vez de emanar de um pequeno alto-falante.

Surpreendentemente, a Starline não foi concebida durante a pandemia como uma tentativa frenética de manter os humanos socialmente distantes e presos conectados; conforme relatado pela Wired, o chefe de realidade virtual e aumentada do Google, Clay Bavor, disse que o projeto está em andamento há mais de cinco anos.

Bavor vê o Starline como estando em uma categoria diferente de ferramentas como o Zoom. “Eu sei que a pessoa com quem estou sentado não está checando o telefone durante a reunião, e isso é bom”, disse ele à Wired. “Mas a loucura é que eu acordava na manhã seguinte e tinha a memória de: ‘Ah, eu vi Steve ontem’. Não como ‘Tive uma videochamada com Steve ontem’. E há algo diferente sobre como nossas memórias estão estabelecidas. ”

As imagens no vídeo de amostra do Projeto Starline parecem impressionantemente realistas. No entanto, a tecnologia não está perto de estar pronta para uso generalizado; ainda há falhas a serem resolvidas e melhorias a serem feitas, sem mencionar um custo que é, sem dúvida, proibitivamente alto (detalhes de custo não foram divulgados).

Parece, no entanto, que não nos afastaremos da videoconferência no futuro, e a tecnologia para isso vai melhorar lenta, mas seguramente. O Google está longe de ser a única empresa que trabalha com esse tipo de tecnologia. Uma empresa chamada PORTL fabrica uma “caixa de holograma” de 2,10 metros de altura com telas de LCD transparentes em suas paredes, e a pessoa que aparece como um holograma só precisa ter uma câmera e estar de pé contra um fundo branco. O Mesh da Microsoft tem como objetivo, eventualmente, integrar hologramas 3D em tempo real em sua plataforma.

Em breve começaremos a ver que tipo de demanda existe por tecnologia avançada de videoconferência e, por outro lado, até que ponto as pessoas estão dispostas ou ansiosas para voltar para reuniões pessoais e viagens. Meu voto é para o último, mas é bom saber que eventualmente teremos algumas opções de backup sólidas para quando você simplesmente não quiser entrar em um avião, trem ou se estiver em um prédio com vários andares e vários Cabines Starline, um elevador.

Vanessa Bates Ramirez para SingularityHub.

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Como uma rodada de terapia gênica corrigiu o sistema imunológico de 48 crianças

A terapia genética tem se mostrado promissora nos últimos anos para o tratamento de uma série de doenças, incluindo anemia falciforme, hemofilia, várias formas de cegueira hereditária, mesotelioma e distrofia muscular de Duchenne. Uma nova história de sucesso pode em breve ser adicionada a esta lista, com a publicação ontem dos resultados de um ensaio clínico que usou a terapia genética para curar uma doença rara do sistema imunológico em bebês.

O estudo, descrito no New England Journal of Medicine, foi realizado por pesquisadores da UCLA e do Great Ormond Street Hospital, em Londres, ao longo de cinco anos, começando em 2012.

Sobre ADA
A adenosina desaminase (ADA) é uma enzima encontrada em um tipo de glóbulo branco chamado linfócitos, que são principalmente ativos no cérebro, trato GI e glândula timo. Os linfócitos produzem anticorpos e atacam as células infectadas, por isso são cruciais para o sistema imunológico.

O trabalho da ADA é converter uma molécula que é prejudicial aos linfócitos em uma versão não prejudicial de si mesma. Se o ADA não consegue fazer sua mágica, essa molécula começa a se acumular nos linfócitos, tornando-se tóxica e, por fim, matando as células – e deixando o sistema imunológico virtualmente indefeso, altamente vulnerável a invasores como vírus e bactérias.

Mutações no gene ADA significam que o corpo não produz enzima suficiente para realizar seu trabalho com sucesso. Essa deficiência de ADA leva a uma condição chamada imunodeficiência combinada grave (SCID). Aqueles que sofrem de SCID podem não apenas ficar doentes com muita facilidade, mas condições que seriam neutralizadas por um sistema imunológico normal rapidamente se tornam mortais para eles.

A SCID era mais conhecida como “doença do menino bolha” depois que David Vetter, um menino nascido no Texas em 1971, passou 12 de seus 13 anos de vida envolto em uma bolha de plástico para protegê-lo dos germes.

Cerca de 20 mutações genéticas diferentes podem causar SCID; ADA-SCID se refere à imunodeficiência causada pela falta da enzima ADA: imunodeficiência combinada grave devido à deficiência de adenosina desaminase – um pouco demais. A pior parte do ADA-SCID é que ocorre em bebês; a maioria é diagnosticada com a doença antes mesmo de ter seis meses de idade e, sem tratamento, normalmente não vive além dos dois anos.

A ADA é rara, estimada para ocorrer em cerca de 1 em 200.000 a 1.000.000 recém-nascidos em todo o mundo; os genes ADA da mãe e do pai devem ter mutações para que a criança tenha essa condição.

Um Novo Tratamento
O primeiro passo no tratamento da terapia gênica foi a coleta das células-tronco hematopoéticas, que são as que fabricam as células do sangue, dos pacientes. Os pesquisadores então inseriram uma cópia intacta do gene ADA nas células-tronco usando um vírus de RNA chamado lentivírus (o lentivírus mais conhecido é o HIV).

As células alteradas foram reinjetadas nos pacientes, onde passaram a produzir ADA normalmente, gerando células imunes saudáveis.

De um total de 50 pacientes – 30 nos EUA e 20 no Reino Unido – com ADA-SCID, 48 parecem ter se livrado de sua condição graças à terapia genética, sem complicações relatadas. Os dois pacientes que não tiveram sucesso com a terapia voltaram aos métodos de tratamento tradicionais e não experimentaram quaisquer efeitos adversos como resultado de terem tentado a terapia.

Se, ou esperançosamente quando, a terapia genética se tornar o tratamento ideal para ADA-SCID, será um alívio bem-vindo das opções tradicionais, que não são agradáveis ​​nem baratas: os pacientes precisam de injeções semanais de ADA até que um transplante de medula óssea possa ser feito , e na ausência de um doador, eles devem receber injeções consistentemente, tomar antibióticos e se submeter a infusões de anticorpos pelo resto da vida.

“Se aprovado no futuro, este tratamento pode ser padrão para ADA-SCID e, potencialmente, muitas outras condições genéticas, eliminando a necessidade de encontrar um doador compatível para um transplante de medula óssea e os efeitos colaterais tóxicos frequentemente associados a esse tratamento”, disse Dra. Claire Booth, co-autora do estudo e consultora em imunologia pediátrica e terapia genética no Great Ormond Street Hospital de Londres.

Não há menção ao custo da terapia, nem se isso poderia ser um fator proibitivo para torná-la uma opção viável. No entanto, o estudo é encorajador não apenas por seu potencial para revolucionar o tratamento de ADA-SCID, mas como um prenúncio da promessa da terapia genética para uma infinidade de doenças genéticas.

“As pessoas nos perguntam, isso é uma cura? Quem sabe a longo prazo, mas pelo menos até três anos, essas crianças estão bem ”, disse o Dr. Stephen Gottschalk, que não esteve envolvido neste estudo, mas realizou uma terapia genética semelhante em crianças com SCID no St. Jude Children’s Research Hospital em Memphis. “A função imunológica parece estável ao longo do tempo, então acho que parece muito, muito encorajador.”

Vanessa Bates Ramirez para SingularityHub.

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A ousada missão da Carbon para finalmente desmaterializar a manufatura

A tecnologia tem um hábito engraçado: quando você pensa que não pode melhorar, ela melhora. Veja a impressão 3D. A capacidade de uma máquina de cuspir material macio em um padrão preciso que quase simultaneamente endurece em uma coisa real que você pode usar é bastante incrível.

Mas há espaço para melhorias. Até o momento, a baixa velocidade e qualidade de produção têm limitado a impressão 3D à prototipagem. Agora, a empresa de manufatura aditiva Carbon pretende mudar tudo isso com uma impressora 3D rápida, capaz de imprimir produtos acabados.

“[Isso é] o que sonhamos por 30 anos – ir diretamente do design às peças de uso final”, disse Valerie Buckingham no Exponential Manufacturing Summit da Singularity University em Boston na semana passada. “Isso é realmente o que consideramos o futuro da manufatura.”

Resumindo, para as peças de polímero, Carbon acredita que a impressão 3D pode finalmente entrar na fabricação em massa e trazer todos os benefícios de se tornar digital junto com ela.

Ver sua tecnologia alucinante em ação é como algo saído da ficção científica. Buckingham, que é vice-presidente de marketing da Carbon, descreveu a tecnologia como “um projetor de luz digital brilhando através de uma camada ótica permeável ao oxigênio, um pouco como uma lente de contato, em um tanque de resina programável líquida sensível a UV”.

Tradução: a luz brilha em um grande balde de lodo e faz algo que é retirado do lodo para ser usado em nossa vida cotidiana.

Desde que saiu do stealth em 2015, a Carbon levantou US $ 221 milhões em capital de risco, e a empresa acaba de lançar seu sistema SpeedCell em março. O sistema possui impressoras que têm o dobro da área de construção do modelo anterior e podem fazer interface com robôs.

Buckingham compartilhou suas observações sobre o estado atual da manufatura aditiva e as tendências emergentes que ela considera mais importantes para as empresas de produtos. Abaixo estão três pontos focais que a Carbon centrou sua tecnologia e processos, e são pontos que provavelmente veremos se enraizar em todo o espectro de manufatura nos próximos meses e anos.

Valerie Buckingham na Exponential Manufacturing.

Muito mais rápido e estruturalmente mais forte
A impressão 3D tradicional cria um objeto depositando material camada por camada. Mas essas mesmas camadas podem causar deficiências mecânicas. O método sem camada de carbono, disse Buckingham, faz produtos que “têm as mesmas características mecânicas em todas as três dimensões e têm ótimo acabamento de superfície e resolução, o tipo que você esperaria de peças de polímero de qualidade final”.

A impressão 3D pode ser considerada essencialmente como empilhar muitas partes minúsculas de um material sobre si mesmo e, em seguida, ter essas partes grudadas. A tecnologia de produção de interface líquida contínua de carbono – CLIP para breve – é como pegar um grande pedaço desse material e esculpi-lo no mesmo produto.

“O que é realmente importante”, acrescentou Buckingham, “é que podemos fazer isso com uma rapidez incrível”. Se você já assistiu a uma impressora 3D fazer seu trabalho, ‘rápido’ provavelmente não é uma palavra que você usaria para descrevê-la. O CEO da Carbon diz que o método CLIP é 25 a 100 vezes mais rápido do que outras impressoras 3D industriais.

Centrado no design
Em uma comparação de quão pouco o setor de manufatura mudou com a digitalização em comparação com quase todos os outros aspectos de nossas vidas, Buckingham observou que a maioria dos processos de produção ainda envolve design seguido de prototipagem e ferramentas analógicas. As impressoras Carbon são uma das primeiras tecnologias a mudar isso e vão diretamente do design às peças de uso final.

“Um dos fatores críticos dessa tecnologia é que ela realmente coloca o designer no centro. E torna possível que eles manifestem sua visão diretamente para o mundo, sem muitas dessas restrições ”, disse Buckingham.

A empresa anunciou uma parceria com a Adidas no mês passado, na qual a tecnologia da Carbon será usada para fazer o solado médio de uma linha de calçados chamada Futurecraft. A empresa de roupas esportivas expressou interesse em “customizar em massa” seus calçados; uma pessoa que pesa 120 libras e usa um tamanho 9 precisa de um sapato de construção diferente do que um tamanho 9 de 180 libras.

“Anunciamos que faremos 100.000 pares desses sapatos no próximo ano”, disse Buckingham. “Isso é realmente um grande negócio. Isso não é um projeto de ciência. Essa é a verdadeira produção final da peça. ”

Os produtos costumavam ser uma saída física e estática de um processo. Mas a tecnologia aditiva está mudando isso, e as empresas líderes estão descobrindo como projetar para o processo. Ao digitalizar a produção, você elimina o intermediário e vai do design ao uso final, disse Buckingham.

Com muitos dados
Por fim, Buckingham enfatizou a importância da procedência, ou seja, saber exatamente de onde vem um produto. Isso é crucial para setores altamente regulamentados, como produtos médicos. As peças criadas com tecnologia aditiva levarão seus dados nascidos com elas ou, como disse Buckingham, “Você será capaz de saber quando foi feito, o que era o lote de resina, quem era o operador, e por quanto tempo ficou na doca de carregamento. ”

Isso significa que as falhas do produto não exigirão recalls em massa, em que as empresas basicamente adivinham o que deu errado e acabam desperdiçando milhares de unidades do produto para errar por jogar pelo seguro.

Os dados de proveniência incorporados permitirão que os fabricantes identifiquem o que deu errado, quando e onde, tornando mais fácil identificar e resolver o problema. “Isso realmente mudará a forma como pensamos sobre risco e dados quando se trata de bens físicos”, disse Buckingham.

Vanessa Bates Ramirez para SingularityHub.

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Uma cidade holandesa está usando carros elétricos para alimentar a rede

Os veículos elétricos são verdes apenas na medida que a rede que os alimenta pode ser, mas podem ajudar a impulsionar o uso de energia limpa, armazenando energia renovável intermitente em suas baterias. Colocar isso em prática é complicado, mas a cidade holandesa de Utrecht planeja se tornar a primeira a torná-lo realidade.

As fontes mais populares de energia sem carbono funcionam apenas quando o sol brilha ou o vento sopra. Isso significa que encontrar maneiras de armazenar o excesso de energia em tempos de fartura e liberá-la quando a demanda ultrapassar a oferta tornou-se o principal foco do setor de energia. Como o custo das baterias caiu, as instalações de armazenamento em escala de rede começaram a se tornar viáveis, mas a economia ainda não é especialmente atraente.

Uma alternativa que vem ganhando força é o aproveitamento das baterias que já temos e, em particular, do armazenamento de alta capacidade dos veículos elétricos, que estão substituindo rapidamente os carros a gasolina.

A ideia é que, quando os veículos elétricos não estiverem em uso, a energia armazenada em suas baterias será desperdiçada. Se você possibilitar que essa energia seja realimentada na rede, isso pode ajudar a equilibrar as quedas no fornecimento à medida que as energias renováveis ​​ficam offline, em vez de depender de usinas de combustível fóssil para compensar a falta.

A tecnologia que pode fazer isso acontecer ainda está em sua infância. Quando um veículo elétrico é carregado, a corrente alternada da rede é convertida em corrente contínua que pode ser armazenada em suas baterias. Mas a maioria das estações de carregamento e carros não tem o hardware para permitir que esse processo funcione ao contrário, o que significa que a energia não pode ser enviada de volta para a rede.

Mas isso está começando a mudar e uma cidade na Holanda está liderando o ataque. Nos últimos dois anos, Utrecht instalou cerca de 500 estações de carregamento bidirecionais e está se posicionando como uma das principais bancadas de teste do mundo para a tecnologia.

E parece que a indústria está percebendo. A Renault vem testando seu carro ZOE bidirecional na cidade desde 2019, e na semana passada a montadora sul-coreana Hyundai anunciou uma parceria com a startup local We Drive Solar para realizar o primeiro teste em grande escala de seu novo carro de carregamento bidirecional, o IONIQ 5.

A We Drive Solar vende assinaturas de compartilhamento de carros para veículos elétricos e planeja ter uma frota de 150 carros bidirecionais funcionando até o início do próximo ano. Eles também trabalharão com operadoras de rede locais, a Delft University of Technology e uma série de outros parceiros para realizar o primeiro estudo em grande escala do mundo da tecnologia necessária para criar um “ecossistema bidirecional” que pode alimentar um grande área metropolitana.

Juntar todas as peças não será fácil. A coordenação de energia que é alimentada por centenas ou milhares de veículos elétricos, que podem ficar off-line repentinamente quando seu proprietário decidir levá-los para dar uma volta, será incrivelmente complicada. Isso exigirá tecnologia de rede inteligente que possa gerenciar de forma adaptativa a demanda e a oferta flutuantes.

E para justificar os investimentos nesses tipos de sistemas além dos projetos-piloto, também será necessária a adoção generalizada de veículos elétricos bidirecionais para garantir que a frota seja grande o suficiente para valer a pena.

Mas há sinais promissores de que a indústria está caminhando nessa direção. A Volkswagen anunciou no mês passado que seus veículos elétricos terão capacidades bidirecionais no próximo ano e, apesar da relutância inicial, a Tesla acrescentou silenciosamente a capacidade a seus carros no ano passado.

Embora possa levar algum tempo até que os veículos elétricos estejam alimentando a rede com energia suficiente para causar uma redução séria nas emissões de carbono, os clientes podem se animar com o conhecimento de que sua compra poderá em breve ser um golpe duplo para o meio ambiente.

Edd Gent para SingularityHub.

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Reutilização de foguetes: SpaceX voa 10 vezes

A SpaceX, pioneira da indústria, atingiu um marco significativo depois que um de seus foguetes Falcon 9 completou sua 10ª missão. A capacidade de reutilizar seus veículos de lançamento tem estado no centro dos sucessos recentes da empresa, e parece que outros estão começando a notar.

Por décadas, os foguetes espaciais têm sido uma tecnologia de uso único deixada para queimar na reentrada na atmosfera uma vez que sua missão esteja concluída. Embora uma abordagem de uso único possa fazer sentido para o material de embalagem, em retrospecto, parece uma proposta maluca para um equipamento multimilionário de alta engenharia.

Tentar mudar isso tem sido a base da missão da SpaceX para reduzir o custo do voo espacial desde seus primeiros dias. E depois de alguns fracassos dramáticos, a empresa finalmente conseguiu pousar um de seus foguetes em 2015, seguido pela primeira reutilização em 2017.

Desde então, o pouso e a reutilização do Falcon 9 se tornaram uma prática padrão para a empresa e, em 2018, o fundador Elon Musk estabeleceu a meta de voar cada foguete 10 vezes antes de ter que fazer uma manutenção séria. Em 9 de maio, a SpaceX atingiu aquele alvo pela primeira vez quando seu propulsor B1051 pousou em segurança após completar seu décimo vôo.

Esse é um marco impressionante, que significa que os únicos veículos que fizeram mais voos espaciais do que este foguete são os ônibus espaciais da NASA Discovery, Atlantis, Columbia e Endeavour. Mas não é apenas o número de lançamentos que impressiona, é também a velocidade com que os alcançou.

Embora o Discovery ainda tenha uma liderança impressionante com um total de 39 missões, ele a acumulou ao longo de 27 anos. O impulsionador da SpaceX atingiu 10 missões em apenas 26 meses e, nesse período, foi apenas um lançamento tímido do número total de missões realizadas por todos os foguetes de seu principal concorrente, a United Launch Alliance.

E este não é o único Falcon 9 acumulando missões. O Booster B1049 é apenas um lançamento atrás do B1051, e entre os dois, o par entregou quase metade da constelação de satélites Starlink da SpaceX para a órbita.

Até onde essa reutilização pode ir, ninguém sabe. A empresa diz que planeja testar alguns de seus foguetes até a destruição para ver qual seria o limite máximo, e no ano passado Musk adivinhou que seria possível empurrá-los para mais de 100 missões com algumas substituições ou atualizações de peças.

E não é apenas o Falcon 9. A empresa está embutindo a reutilização no DNA de tudo que constrói. Recentemente, eles concluíram o primeiro pouso bem-sucedido de um protótipo de foguete de nave e estão considerando voar com o veículo uma segunda vez. E no mês passado a empresa lançou humanos ao espaço em uma cápsula do Dragon reutilizada pela primeira vez, em cima de um Falcon 9. O Dragon foi projetado para ser reutilizado pelo menos cinco vezes.

A SpaceX não é a única empresa com foco na reutilização. A Blue Origin, de propriedade do fundador da Amazon Jeff Bezos, também projetou todos os seus veículos para serem pelo menos parcialmente reutilizáveis ​​desde o início e demonstrou a primeira reutilização de seu impulsionador New Shepard em 2016.

Mas parece que outros na indústria espacial também estão aceitando rapidamente a ideia. No sábado, o Rocket Lab, que construiu um negócio de sucesso lançando pequenas cargas na órbita terrestre usando foguetes de uso único, deveria realizar sua segunda tentativa de recuperar um de seus impulsionadores de elétrons.

No final, o segundo estágio do foguete não conseguiu alcançar a órbita e a carga útil foi perdida. No entanto, a recuperação da primeira etapa foi adiante. Em vez de tentar pousar seus foguetes, a empresa está usando pára-quedas para pousá-los suavemente no mar antes de pegá-los de barco. O Rocket Lab emitiu um comunicado no sábado confirmando que o primeiro estágio caiu no Oceano Pacífico e disse que uma equipe estava a caminho para buscá-lo.

E nos últimos seis meses, agências espaciais de todo o mundo anunciaram planos para veículos de lançamento reutilizáveis. Rússia, Europa, Índia e Japão iniciaram o desenvolvimento de novos foguetes, e a China afirma que pode tentar pousar um de seus propulsores Long March-8 ainda este ano.

É provável que os concorrentes da SpaceX levem algum tempo para alcançá-los, o que lhe dará uma grande vantagem de custo por um tempo. Mas parece que a missão da empresa de reinventar a indústria de lançamentos e aumentar drasticamente o acesso ao espaço está a caminho.

Edd Gent para SingularityHub.

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Pesquisadores de IA do Google estão sonhando com um novo mecanismo de pesquisa

Imagine uma coleção de livros – talvez milhões ou até bilhões deles – jogada ao acaso pelos editores em uma pilha em um campo. A cada dia a pilha cresce exponencialmente.

Esses livros estão repletos de conhecimentos e respostas. Mas como um buscador os encontraria? Sem organização, os livros são inúteis.

Esta é a Internet bruta em toda a sua glória não filtrada. É por isso que a maioria de nossas buscas por “iluminação” online começa com o Google (e sim, ainda existem outros mecanismos de busca). Os tentáculos algorítmicos do Google examinam e indexam todos os livros dessa pilha ímpia. Quando alguém insere uma consulta na barra de pesquisa, o algoritmo de pesquisa examina sua versão indexada da Internet, exibe as páginas e as apresenta em uma lista classificada dos principais acessos.

Essa abordagem é extremamente útil. Tão útil, na verdade, que não mudou fundamentalmente em mais de duas décadas. Mas agora, os pesquisadores de IA do Google, a mesma empresa que definiu o padrão para os motores de busca, estão esboçando um plano para o que pode vir a seguir.

Em um artigo sobre o servidor de pré-impressão arXiv, a equipe sugere que a tecnologia para tornar a Internet ainda mais pesquisável está ao nosso alcance. Eles dizem que grandes modelos de linguagem – algoritmos de aprendizado de máquina como o GPT-3 da OpenAI – poderiam substituir totalmente o sistema atual de indexar, recuperar e então classificar.

A IA é o mecanismo de busca do futuro?
Ao buscar informações, a maioria das pessoas adoraria perguntar a um especialista e obter uma resposta diferenciada e confiável, escrevem os autores. Em vez disso, eles pesquisam no Google. Isso pode funcionar ou dar terrivelmente errado.

Embora os mecanismos de pesquisa pareçam conter pelo menos partes de uma resposta, o fardo recai sobre o pesquisador para verificar, filtrar e ler os resultados para reunir essa resposta da melhor maneira possível.

Os resultados da pesquisa têm melhorado muito ao longo dos anos. Ainda assim, a abordagem está longe de ser perfeita.

Existem ferramentas de perguntas e respostas, como Alexa, Siri e Google Assistant. Mas essas ferramentas são frágeis, com um repertório limitado (embora crescente) de questões que podem responder. Embora tenham suas próprias deficiências, grandes modelos de linguagem como GPT-3 são muito mais flexíveis e podem construir novas respostas em linguagem natural para qualquer consulta ou prompt.

A equipe do Google sugere que a próxima geração de mecanismos de pesquisa pode sintetizar o melhor de todos os mundos, dobrando os principais sistemas de recuperação de informações da atualidade em IA em larga escala.

É importante notar que o aprendizado de máquina já está em funcionamento nos mecanismos de pesquisa clássicos de indexação, recuperação e classificação. Mas, em vez de meramente aumentar o sistema, os autores propõem que o aprendizado de máquina poderia substituí-lo totalmente.

“O que aconteceria se nos livrássemos completamente da noção de índice e o substituíssemos por um grande modelo pré-treinado que codifica de forma eficiente e eficaz todas as informações contidas no corpus?” Donald Metzler e co-autores escrevem no paper. “E se a distinção entre recuperação e classificação fosse embora e, em vez disso, houvesse uma única fase de geração de resposta?”

Um resultado ideal que eles imaginam é um pouco como o computador da nave estelar Enterprise em Star Trek. Os buscadores de informações fazem perguntas, o sistema responde de forma coloquial, ou seja, com uma resposta em linguagem natural, como você esperaria de um especialista, e inclui citações oficiais em sua resposta.

No artigo, os autores esboçam o que chamam de exemplo aspiracional de como essa abordagem pode ser na prática. Um usuário pergunta: “Quais são os benefícios do vinho tinto para a saúde?” O sistema retorna uma resposta matizada em prosa clara de várias fontes oficiais – neste caso WebMD e a Clínica Mayo – destacando os benefícios e riscos potenciais de beber vinho tinto.

Não precisa terminar aí, no entanto. Os autores observam que outro benefício dos grandes modelos de linguagem é sua capacidade de aprender muitas tarefas com apenas alguns pequenos ajustes (isso é conhecido como aprendizagem única ou poucas tentativas). Portanto, eles podem ser capazes de realizar todas as mesmas tarefas que os mecanismos de pesquisa atuais realizam, e dezenas de outras também.

Ainda é apenas uma visão
Hoje, essa visão está fora de alcance. Modelos de grande linguagem são o que os autores chamam de “diletantes”.

Algoritmos como GPT-3 podem produzir prosa que é, às vezes, quase indistinguível de passagens escritas por humanos, mas eles também estão sujeitos a respostas sem sentido. Pior, eles refletem imprudentemente preconceitos embutidos em seus dados de treinamento, não têm senso de compreensão contextual e não podem citar fontes (ou mesmo separar fontes de alta e baixa qualidade) para justificar suas respostas.

“Eles parecem saber muito, mas seu conhecimento é superficial”, escrevem os autores. O documento também apresenta os avanços necessários para preencher a lacuna. Na verdade, muitos dos desafios que eles descrevem se aplicam ao campo em geral.

Um avanço importante seria ir além dos algoritmos que apenas modelam as relações entre os termos (como palavras individuais) para algoritmos que também modelam a relação entre as palavras em um artigo, por exemplo, e o artigo como um todo. Além disso, eles também modelariam as relações entre muitos artigos diferentes na Internet.

Os pesquisadores também precisam definir o que constitui uma resposta de qualidade. Isso em si não é uma tarefa fácil. Mas, para começar, os autores sugerem que as respostas de alta qualidade devem ser confiáveis, transparentes, imparciais, acessíveis e conter perspectivas diversas.

Mesmo os algoritmos mais modernos de hoje não chegam perto dessa barreira. E não seria sensato implantar modelos de linguagem natural nesta escala até que sejam resolvidos. Mas se resolvido – e já há trabalho sendo feito para lidar com alguns desses desafios – os mecanismos de pesquisa não seriam os únicos aplicativos a se beneficiar.

‘Early Grey, Hot’
É uma visão atraente. Vasculhar páginas da web em busca de respostas enquanto tenta determinar o que é confiável e o que não é pode ser exaustivo.

Sem dúvida, muitos de nós não fazemos o trabalho tão bem quanto poderíamos ou deveríamos.

Mas também vale a pena especular como uma internet acessada dessa forma mudaria a forma como as pessoas contribuem para ela.

Se consumirmos informações principalmente lendo respostas em prosa e sintetizadas por algoritmos – em vez de abrir e ler as próprias páginas individuais – os criadores publicariam tanto trabalho? E como o Google e outros fabricantes de mecanismos de pesquisa compensariam os criadores que, em essência, estão produzindo as informações que treinam os próprios algoritmos?

Ainda haveria muitas pessoas lendo as notícias e, nesses casos, os algoritmos de pesquisa precisariam fornecer listas de histórias. Mas eu me pergunto se uma mudança sutil pode ocorrer onde os criadores menores adicionam menos e, ao fazer isso, a web se torna menos rica em informações, enfraquecendo os próprios algoritmos que dependem dessas informações.

Não há como saber. Frequentemente, a especulação está enraizada nos problemas de hoje e se mostra inocente em retrospecto. Nesse ínterim, o trabalho continuará sem dúvida.

Talvez possamos resolver esses desafios – e mais à medida que eles surgem – e no processo chegarmos àquele computador de Jornada nas estrelas onisciente e agradavelmente falante que há muito imaginamos.

Jason Dorrier para SingularityHub.

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Nüwa, a proposta de cidade construída dentro de um penhasco gigante, em Marte

Apesar de serem capazes de pousar em Marte e pilotar helicópteros lá, parece que os humanos ainda estão um pouco longe de realmente colocarem os pés no planeta vermelho. Mas para um empreendimento sem precedentes como colonizar outro planeta, você tem que sonhar grande – e planejar com antecedência. Isso é o que uma equipe internacional de cientistas e outros especialistas está fazendo, e eles criaram não apenas um projeto, mas um plano completo para construir a primeira cidade marciana, completa com moradia, alimentação, transporte e energia sustentáveis.

Descrita em um artigo publicado em março, a cidade é fruto da imaginação do escritório de arquitetura ABIBOO Studio e de um grupo multidisciplinar de especialistas em espaço da academia e do setor privado chamado SONet (abreviação de Sustainable Offworld Network). A Mars Society solicitou planos para uma cidade marciana em 2020, e este projeto, chamado Nüwa, foi um dos vários finalistas. Um vídeo que parece ter saído diretamente de um filme de ficção científica de Hollywood dá uma ideia do design.

Nüwa seria a capital em um projeto formado por cinco cidades interligadas, cada uma abrigando de 200.000 a 250.000 pessoas. A localização de Nüwa, Tempe Mensa, foi escolhida porque sua geografia atuará como um escudo natural da radiação; a área contém um extenso planalto cercado por altos penhascos íngremes, e a ideia é escavar esses penhascos e construir a cidade dentro deles. A localização e o projeto também dariam aos residentes acesso indireto à luz do sol, protegendo-os de meteoritos caso algum caísse nas proximidades e ajudando a minimizar a diferença na pressão atmosférica entre o interior e o exterior dos edifícios.

“Se construíssemos os edifícios como na Terra, os edifícios tenderiam a explodir com a pressão. A radiação solar e gama em Marte nos obrigou a construir espaços não expostos diretamente ao céu ”, disse Alfredo Muñoz, fundador do ABIBOO Studio, em um comunicado à imprensa.

Os “macro-edifícios” concebidos para a cidade são modulares e em forma de enormes tubos (10 metros de largura por 60 metros de comprimento), com diferentes modelos destinados a habitar e trabalhar. Os módulos seriam interligados por túneis e elevadores, semelhantes aos encontrados em áreas urbanas da Terra. Todos os módulos incluem espaço para áreas verdes, bem como áreas chamadas “domos de neve” que ajudariam a dissipar o calor e limpar o ar por meio da condensação. Cada macro-edifício teria um chuveiro de ar em sua entrada, que os visitantes usariam para esterilizar micróbios e outras substâncias potencialmente prejudiciais.

O interior de uma das “cúpulas verdes” de Nuwa, representação artística. Crédito da imagem: Abiboo Studio / SONet

A infraestrutura para a produção de alimentos e energia será construída no topo plano da meseta. Já que transportar qualquer tipo de material da Terra para Marte em uma base regular não levaria apenas meses, mas teria um custo proibitivo, a cidade precisaria ser autossustentável, com todas as necessidades dos habitantes capazes de ser atendidas usando material local. Parece complicado, já que Marte é atualmente um trecho desolado de rocha avermelhada sem formas de vida identificáveis, certo?

“À medida que a cidade cresce, ela precisa ser capaz de depender apenas dos recursos diretamente de Marte e reciclar o máximo que pudermos”, disse Gisela Detrell, engenheira aeroespacial que faz parte do projeto. “De todas as maneiras que nós, humanos, produzimos, devemos ser capazes de produzir oxigênio, água e alimentos suficientes para sustentar os humanos e fechar o ciclo quase completamente”.

A principal fonte de alimento dos residentes seriam as safras hidropônicas cultivadas em módulos dedicados, onde o ar seria enriquecido com CO2, e a manutenção e a colheita das safras realizadas por sistemas automatizados – talvez semelhantes a algumas fazendas verticais altamente automatizadas já em operação na Terra. Não há muitos detalhes sobre quais plantações especificamente serão cultivadas, embora a equipe observe que as algas seriam uma parte crítica da dieta dos residentes de Nüwa.

Um módulo agrícola de Nuwa, representação artística. Crédito da imagem: ABIBOO Studio / SONet

E, sem surpresa, o planeta vermelho não será um ótimo lugar para carnívoros amantes de carne. O plano menciona a produção de carne celular e áreas de cultivo “relativamente pequenas” para animais e insetos, mas dados os recursos e energia necessários para produzir gado – que estamos tendo bastante dificuldade aqui na Terra – a carne será uma parte mínima de a dieta marciana.

“Ela tem especialistas por trás disso e foi inovadora na forma como resolvemos muitos dos desafios que enfrentaremos ao estabelecer um assentamento de Marte”, disse Munoz. “Fizemos isso de uma maneira muito escalonável, criando espaços que serão potencialmente emocionantes e bonitos.”

A equipe estima que a construção da cidade pode começar em 2054, com os primeiros residentes se mudando por volta de 2100 – mas essas são estimativas, com muitos fatores de impacto que podem acabar criando um cronograma diferente; embora esteja a mais de 30 anos de distância, a meta parece ambiciosa, visto que os humanos ainda não chegaram nem perto de ir a Marte.

O nome Nüwa vem de uma deusa da mitologia chinesa. Retratado na arte antiga como o corpo de uma cobra com cabeça humana, Nüwa era visto como o criador que moldou os primeiros seres humanos de argila e era conhecido por criar e reproduzir pessoas após uma grande calamidade. Esperançosamente, este último aspecto do nome não será aplicável à cidade marciana; em qualquer caso, para citar Matt Damon em “The Martian” (e talvez nunca tenha havido um momento ou lugar mais relevante para esta citação), os designers e engenheiros de Nüwa “gonna have to science the sh*t out of this.”

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Toyota está construindo um protótipo de cidade futurista movida a hidrogênio

A maior parte do foco para tornar os carros autônomos uma realidade generalizada está nos próprios carros, especificamente na tecnologia que eles precisam para interagir com segurança com o mundo ao seu redor: sensores, câmeras e similares, todos baseados em softwares que integram IA e aprendizado de máquina. Mas e se não for tudo sobre os carros? Talvez seja igualmente importante preparar as cidades para se adaptarem a um futuro sem motoristas. É nisso que a maior montadora do mundo está apostando, de qualquer maneira.

Ao sul de Tóquio, na base do Monte Fuji, a Toyota está liderando um projeto que chama de Woven City. Os planos para o protótipo futurístico da cidade foram revelados na CES em 2020, e a construção começou em fevereiro passado. Esta semana, a Toyota anunciou que está fazendo parceria com a empresa japonesa de petróleo ENEOS para construir um sistema de célula de combustível de hidrogênio que será a fonte de energia da cidade.

Movida a hidrogênio
O hidrogênio é uma fonte de energia promissora e complicada. Sua densidade de energia é quase três vezes maior que a da gasolina em uma base de massa, mas em uma base de volume é muito menos densa, o que significa que precisa ser comprimida para obter mais energia do mesmo volume. Atualmente, a ENEOS opera 45 postos comerciais de reabastecimento de hidrogênio em diferentes partes do Japão, e o Mirai da Toyota funciona com hidrogênio (o modelo 2021 vem com seis anos de combustível grátis!).

Como parte da parceria, a ENEOS instalará um posto de abastecimento de hidrogênio próximo a Woven City e produzirá “hidrogênio verde” lá, que fornecerá geradores de células a combustível na cidade. Eles também construirão um sistema de gerenciamento de oferta e demanda e farão pesquisas sobre o fornecimento de hidrogênio (não importa a opinião de Elon Musk de que as células de combustível de hidrogênio são “extremamente tolas”)

“Acreditamos que a energia do hidrogênio terá um papel fundamental na realização da neutralidade do carbono em escala global”, disse Katsuyuki Ota, presidente da ENEOS. “Ao trabalhar em conjunto com a Toyota para explorar totalmente o potencial do hidrogênio, acreditamos que podemos dar uma contribuição significativa para a criação de novos estilos de vida baseados no hidrogênio.” Os painéis solares também suprirão parte das necessidades de energia da cidade.

Inteligente, Verde, Integrado
As fontes de energia verde de Woven City são apenas uma peça do quebra-cabeça futurista que o protótipo vai montar.

As casas inteligentes da cidade serão capazes de retirar automaticamente o lixo dos residentes e reabastecer suas geladeiras (usando robôs de compras de supermercado), e a IA baseada em sensores vai até monitorar a saúde dos residentes. Se as pessoas vão aceitar esse tipo de “serviço” ou vê-lo como uma invasão de privacidade, ainda está para ser determinado. Os residentes de Woven City incluirão funcionários da Toyota e suas famílias, aposentados e cientistas, entre outros. Mais de 3.000 pessoas já se inscreveram, e a empresa planeja lançar a cidade com 2.000 residentes no início, e depois aumentar isso com o tempo.

Sensores incorporados em todos os tipos de infraestrutura enviarão dados aos carros para aumentar sua “consciência” dos arredores e das condições das estradas. Os documentos preveem que haverá até 33 milhões de carros autônomos vendidos anualmente até 2040. No entanto, há apenas cinco anos, as empresas previam que atingiríamos a autonomia total até 2020, e não foi esse o caso. Os carros autônomos, como a IA como um todo, parecem ser mais difíceis do que pensamos, e vale a pena dedicar mais tempo para trazê-los ao mercado se isso significar mais segurança, eficiência e logística urbana – sem mencionar a confiança do público.

“Construir uma cidade completa do zero, mesmo em pequena escala como esta, é uma oportunidade única de desenvolver tecnologias futuras, incluindo um sistema operacional digital para a infraestrutura da cidade. Com pessoas, edifícios e veículos todos conectados e se comunicando por meio de dados e sensores, seremos capazes de testar a tecnologia de IA conectada, tanto no mundo virtual quanto no físico, maximizando seu potencial”, disse Akio Toyoda, presidente da Toyota Motor Corporation, em um comunicado à imprensa.

Assistir como o experimento da Cidade da Toyota se desdobra pode ser uma lente reveladora para o futuro, não apenas para carros sem motorista, mas para tecnologia inteligente, energia limpa e a vontade dos residentes de viver entre milhões de sensores que coletam todos os tipos de dados sobre eles e seus dia-a-dia.

A Toyota escolheu o nome “Woven City” porque a empresa realmente começou a fabricar teares a vapor na década de 1890; neste caso, o que está sendo tecido é a tecnologia, infraestrutura e serviços para as cidades do futuro. A construção está programada para ser concluída em 2024.

Vanessa Bates Ramirez para SingularityHub.

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Implante cerebral transforma pensamentos em texto com 90% de precisão

Enviar mensagens de texto pode não ser mais rápido do que falar, mas para muitos de nós é uma maneira natural de se comunicar.

Graças a uma nova interface cérebro-computador (BCI), pessoas com paralisia agora podem fazer o mesmo – com um toque especial. Ao imaginar os movimentos de escrever cartas, um homem com lesão na coluna foi capaz de traduzir pensamentos em texto, a uma velocidade que rivaliza com a digitação com o polegar em um smartphone. A 90 caracteres por minuto e uma precisão de mais de 90 por cento após a autocorreção, o sistema supera todos os registros realizados anteriormente com implantes neurais.

O crux é um algoritmo baseado em uma rede neural popular e muito poderosa – rede neural recorrente (RNN) – além de alguns truques da comunidade de aprendizado de máquina. O resultado é um implante neural que usa IA para converter sinais elétricos do cérebro, gerados quando alguém imagina escrita à mão em texto que é exibido em um computador em tempo real.

“Isso pode ajudar a restaurar a comunicação em pessoas que estão gravemente paralisadas ou‘ presas”, disse o autor do estudo, Dr. Frank Willett, do Laboratório de Próteses Neurais de Stanford. “Deve ajudar as pessoas a se expressarem e compartilharem seus pensamentos. É muito emocionante.”

“Mindtexting” pode ser apenas o começo. O estudo sugere que, contra a crença comum, a IA parece ser melhor na decodificação de sinais cerebrais que fundamentam nossos comportamentos mais complexos, em vez de simples – um convite para reimaginar o potencial de uma simbiose cérebro-computador.

“Embora ainda haja muito trabalho a ser feito, o estudo de Willett e colegas de trabalho é um marco que amplia o horizonte das aplicações iBCI [interface invasiva cérebro-computador]”, disseram os drs. Pavithra Rajeswaran e Amy Orsborn, da Universidade de Washington, que não participaram do estudo. “Como ele usa métodos de aprendizado de máquina que estão melhorando rapidamente, conectar os modelos mais recentes oferece um caminho promissor para melhorias futuras.”

Digitando sem as mãos
O estudo faz parte do lendário projeto BrainGate, que liderou o desenvolvimento de interfaces neurais na última década para restaurar a comunicação em pessoas paralisadas. Para ser claro, esses “implantes” são fiéis ao seu nome: eles são microarranjos de minúsculos eletrodos em um chip que é inserido cirurgicamente na camada superior do cérebro.

BrainGate tem muitos sucessos alucinantes. Um é um implante que permite às pessoas pilotar braços robóticos com o pensamento. Outro sucesso ajudou pessoas paralisadas a moverem o cursor do computador com suas mentes em um tablet Android, expandindo seu universo digital para toda a esfera de aplicativos Android e, claro, e-mail e Google.

Tudo isso é possível porque o processador central, o córtex motor, ainda está intacto mesmo após a paralisia, pelo menos para movimentos relativamente simples, como alcançar ou agarrar. É como cortar o cabo do roteador sem fio: você perde o acesso online, mas a rede em si ainda está lá. Os implantes neurais tocam diretamente na fonte – os sinais elétricos que sustentam cada movimento nosso – decodificam-nos em uma linguagem que os computadores entendem e os usam para controlar outra saída: uma mão robótica, exoesqueleto ou um cursor na tela.

O problema? Usar sua mente para controlar um cursor para acertar letras em um teclado digital é terrivelmente lento. O implante de maior sucesso até agora tem em média 40 caracteres por minuto e requer cirurgia e treinamento. Mesmo um teclado de rastreamento ocular disponível no mercado que é não invasivo pode permitir que pessoas com paralisia digitem um pouco mais rápido.

O novo estudo teve uma abordagem completamente diferente: jogue fora o teclado.

Uma centelha de gênio
O participante do estudo, apelidado de T5, é um participante de longa data do BrainGate.

Em 2007, T5 sofreu um incidente traumático que danificou sua medula espinhal e o impediu de mover-se abaixo do pescoço. Em 2016, o Dr. Jaimie Henderson, um neurocirurgião de Stanford, implantou dois chips microarray na “área da mão” do giro pré-central esquerdo de T5, uma parte do cérebro que normalmente nos ajuda a planejar e controlar o movimento. Cada chip continha 96 microeletrodos para acessar a atividade elétrica do cérebro. Esses sinais neurais eram então enviados a um computador por meio de fios para processamento posterior.

É aqui que entra a magia. Os neurônios são um grupo barulhento e decifrar sinais específicos – códigos neurais – que controlam movimentos únicos é incrivelmente difícil. Em parte, é por isso que atualmente é impossível para alguém imaginar uma carta e tê-la “lida mentalmente” por uma configuração BCI. Os sinais elétricos do cérebro que codificam para letras diferentes são muito sutis para qualquer algoritmo decodificar com precisão.

A solução alternativa do novo estudo é inovadora e totalmente brilhante. Como o processo de escrever letras do alfabeto é único para cada letra, raciocinou a equipe, ele pode acionar sinais neurais diferentes o suficiente para um algoritmo distinguir qual movimento imaginado – e seu sinal cerebral associado – corresponde a qual letra.

Para começar, o paciente T5 primeiro traçou uma letra individual repetidamente em sua mente (impressa, não cursiva). Embora sua mão estivesse completamente imóvel, disseram os autores, ele “relatou a sensação de que uma caneta imaginária em sua mão se movia fisicamente e traçava as formas das letras”. Em seguida, T5 passou horas imaginando escrever grupos de frases aleatórias.

Ao mesmo tempo, seus implantes capturavam sinais neurais relacionados à escrita de cada letra, que eram “notavelmente consistentes”. Os dados foram então usados ​​para treinar um tipo de rede neural artificial chamada rede neural recorrente (RNN), que é “especialmente boa para prever dados sequenciais”. Como os RNNs tendem a ser famintos por dados, a equipe usou um truque chamado aumento de dados que reorganizou os sinais neurais anteriores, essencialmente gerando dados artificiais para fortalecer o algoritmo. Eles também injetaram algum ruído nos dados, com a esperança de que o eventual BCI fosse mais robusto contra pequenas mudanças na atividade cerebral.

Dominância do Mind-Texting
Com o tempo, o RNN foi capaz de decodificar sinais neurais e traduzi-los em letras, que eram exibidas na tela do computador. É rápido: em meio segundo, o algoritmo pode adivinhar qual letra T5 estava tentando escrever, com 94,1% de precisão. Adicione alguma função de autocorreção comum que está em todos os smartphones e a precisão aumentou para mais de 99%.

Quando solicitado a copiar uma determinada frase, T5 foi capaz de “texto mental” em cerca de 90 caracteres por minuto (cerca de 45 palavras por estimativa), “a maior taxa de digitação que já foi relatada para qualquer tipo de BCI”, escreveu a equipe e uma melhoria dupla em relação às configurações anteriores. Sua digitação em estilo livre – respondendo a perguntas – em geral combinou em desempenho e atingiu a velocidade média de mensagens de texto com o polegar de sua faixa etária.

“O estudo de Willett e seus colegas de trabalho começa a cumprir a promessa das tecnologias BCI”, disseram Rajeswaran e Orsborn, não apenas para mensagens mentais, mas também para o que vem a seguir

A ideia de explorar algoritmos de aprendizado de máquina é inteligente, sim, porque o campo está melhorando rapidamente – e ilustrando outro elo sólido entre a neurociência e a IA. Mas talvez mais importante, o desempenho de um algoritmo depende de bons dados. Aqui, a equipe descobriu que a diferença de tempo entre escrever cartas, algo bastante complexo, é o que fazia o algoritmo funcionar tão bem. Em outras palavras, para futuros BCIs, “pode ​​ser vantajoso decodificar comportamentos complexos em vez de simples, especialmente para tarefas de classificação.”

O novo sistema ainda não está pronto para as clínicas. Ele terá que ser testado em outras pessoas e ter algumas funções comuns de digitação adicionadas, como excluir ou editar texto. A equipe também deseja adicionar a capacidade de texto mental de letras maiúsculas e símbolos.

Mas o novo BCI não precisa funcionar sozinho. Outros BCIs que traduzem atividades neurais da fala em texto já existem, e é concebível para uma pessoa potencialmente alternar entre os dois métodos – escrita mental e fala – para se comunicar com outras pessoas. “Ter esses dois ou três modos e alternar entre eles é algo que fazemos naturalmente [na vida diária]”, disse a Dra. Krishna Shenoy da Universidade de Stanford, que supervisionou o estudo com o Dr. Henderson.

Mas isso é tudo para o futuro. O próximo passo imediato, disseram os autores, é trabalhar com pacientes que não falam, como pessoas que perderam a capacidade devido a um derrame ou doenças neurodegenerativas, ou aqueles que estão conscientes, mas não conseguem se mover, e restaurar sua capacidade para interagir com o mundo exterior. “A abordagem dos autores trouxe interfaces neurais que permitem a comunicação rápida muito mais perto de uma realidade prática”, disseram Rajeswaran e Orsborn.