Experimental evaluation and computational modeling of the magnetofaba itapuensis bacteria: possible application in nanorobotics
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Erickson Rangel do Nascimento
Luiz Chaimowicz
Luiz Chaimowicz
Resumo
A criação de nanomáquinas autônomas é um dos maiores desafios da nanotecnologia. O desenvolvimento desse tipo de robô utilizando novos materiais é promissor, porém quanto sua aplicação está dentro do domínio biológico essa abordagem não é a mais adequada, devido à componentes tóxicos. Além disso, o controle desses robôs é outro desafio, já que nessa escala as leis da física se comportam diferente devido à influência da relatividade. Por essas razões, considera-se a utilização de bactérias magnetotáticas (MTB) como base para a criação de nano robôs. Devido ao seu pequeno tamanho, característica única de se orientar por meio de campos magnéticos e por possuir um motor biológico, elas são excelentes candidatas para serem utilizadas em diversas aplicações. O problema é que existe um número relativamente baixo de culturas desses micro-organismos, o que faz com que os experimentos sejam difíceis de serem executados. Neste trabalho nós apresentamos avaliações experimentais e um modelo computacional de uma nova espécie descoberta: a Magnetofaba Itapuensis. Encontrada na Lagoa de Itaipu, próxima à cidade do Rio de Janeiro, Brasil, a espécie é estudada e cultivada pelos pesquisadores da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Ao contrário das outras espécies disponíveis, essa se move em direção ao Sul, é mais rápida e apresenta o formato cocos. Mesmo assim, experimentos que utilizam as bactérias são difíceis de serem realizados devido ao fato delas serem microaerofílicas, o que as faz sensíveis à altas concentrações de Oxigênio. Um microscópio e uma montagem eletrônica foram desenvolvidos para a realização dos experimentos. O microscópio montado permite a captura de imagens em diferentes resoluções e a montagem eletrônica é capaz de modificar o campo magnético sobre a amostra utilizando uma interface com o computador. Baseado nos resultados obtidos, um modelo computacional da bactéria foi desenvolvido e validado. Este modelo é aplicado para simular o comportamento da bactéria, vislumbrando possíveis utilizações do enxame de bactérias em experimentos de nanorobótica. Para tanto, um controlador nebuloso foi desenvolvido para o controle da posição do enxame. A ideia é desenvolver e validar o controlador em um ambiente de simulação antes de ser aplicado nas bactérias reais. O simulador é flexível, possibilitando a adição de novos modelos e controladores facilmente. Os resultados mostram que a espécie Magnetofaba Itapuensis não suporta mais de 10 minutos depois de ser exposta ao Oxigênio. Com a validação do simulador os melhores parâmetros para cada modelo foram obtidos de forma a garantir um comportamento o mais próximo possível do observado nos experimentos. Considerando os modelos e seus parâmetros, as características do controlador também são avaliadas. Acreditamos que o simulador desenvolvido possa tornar as pesquisas nessa área mais rápidas, especialmente devido à dificuldade de condução de experimentos com bactérias reais.
Abstract
The creation of autonomous nanomachines is one of the biggest challenges in nanotechnology. For this reason, the application of the magnetotatic bacteria (MTB) is being studied as the basis for the creation of nanorobots. Due to their small size, unique capability to orient according to magnetic fields and biological engine system they are a good candidate for several applications. In this work we present experimental evaluations and a computational model of the newly discovered species Magnetofaba Itapuensi. A microscope and a computer controlled electronic setup were created to perform the experiments. Based on the obtained results a computational model of the bacteria was created and validated. Finally, this model is applied in order to simulate the bacteria behavior, glimpsing the application of bacteria swarm in robotics experiments. We believe that the developed simulator can speed up the research in this area, specially due to the difficult in conducting real experiments.
Assunto
Modelagem de dados, Visão por computador, Computação, Nanocomputação, Simulação (Computadores digitais)
Palavras-chave
Bactérias Magnetotáticas, Controle, Nanorobótica, Simulação, Nanotecnologia