Laser

Mineiros estudam novas aplicações


A descoberta do laser, no final da década de 50, é um marco na história da humanidade. Essa fonte de luz, que permite associar características como a coerência, a elevada intensidade e o grande direcionamento do feixe emitido, possibilitou avanços nas telecomunicações, na indústria, na medicina, nas operações militares e na pesquisa científica das mais diversas áreas do conhecimento.

Passado mais de meio século, o laser continua sendo uma ferramenta valiosa para os cientistas. São inúmeras as suas aplicações e, na agropecuária, pesquisadores da Universidade Federal de Lavras (Ufla) e do Centro de Investigaciones Opticas (CIOp), em La Plata, Argentina, encontraram mais uma maneira vantajosa de utilizá-lo. Com o apoio da FAPEMIG, eles desenvolveram uma tecnologia que permite obter informações de materiais biológicos iluminados pelo laser, sem causar interferências ou danificá-los. O trabalho de medir a umidade ou identificar a presença de fungos em sementes, por exemplo, ou, ainda, o de avaliar a fertilidade dos machos reprodutores pode tornar-se mais rápido, preciso e econômico.



Prof. Roberto Braga Júnior, do Departamento de Engenharia da Ufla
A tecnologia consiste em iluminar o material biológico, capturar as imagens do fenômeno chamado bio-speckle laser, e determinar seu nível de atividade biológica através da análise matemática das imagens obtidas. A inovação, de co-titularidade da Ufla e da FAPEMIG, foi patenteada com o auxílio do Escritório de Gestão Tecnológica da Fundação que, no momento, prepara a sua transferência de tecnologia. A novidade promete contribuir, significativamente, com a indústria agropecuária brasileira.



Os estudos começaram em 1996 com o engenheiro eletricista Roberto Braga Júnior. Naquele ano, o pesquisador e professor do Departamento de Engenharia da Ufla recebeu do governo argentino uma bolsa para conhecer o CIOp e o laser como ferramenta. Durante os estudos em La Plata, Braga percebeu a possibilidade de aplicar o fenômeno bio-speckle na agricultura e, em 1997, a universidade mineira firmou um acordo de cooperação técnico-científica com a instituição argentina. O trabalho prosseguiu sob a coordenação do então doutorando mas, na Ufla, a pesquisa deslanchou somente com o apoio da FAPEMIG, em 2000. “Os recursos da Fundação foram utilizados para montar um laboratório de laser e óptica, onde os experimentos são realizados, conta Braga.

O laboratório foi equipado com um sistema de captação de imagens e um sistema para processamento das informações registradas, que envolve uma metodologia de tratamento e filtragem estatística. O material biológico é iluminado com um laser estável, de acordo com um padrão de ângulos e intensidade. “O ‘pulo do gato’ foi descobrir o set up (montagem) ideal para a iluminação e captura das imagens, além de outros detalhes como a velocidade adequada para obter as informações de cada material observado”, explica o professor. A interpretação dos dados é apoiada pelos pesquisadores argentinos, que dão suporte nos estudos da área de física.

Bio-speckle

Imagem de semente de feijão, iluminada pelo laser.

O fenômeno bio-speckle é o resultado da observação da atividade biológica de um material iluminado pelo laser, por exemplo, o feijão. O material biológico muda sua constituição ou posição ao longo do tempo e, ao ser iluminado pelo laser, ocorre a formação, em qualquer ponto do espaço, de um padrão de interferência, produzindo o speckle. Com uma câmera, os pesquisadores capturam este padrão em mudança, que demonstra o nível de atividade biológica do material iluminado.

Esta mudança do padrão pode ser comparada a um chuvisco de televisão ou, na linguagem dos pesquisadores, a um fervilhamento. Quanto mais rápida a mudança, mais intenso o fervilhamento da imagem, onde os pontos brancos ficam pretos rapidamente e vice-versa.

A base de estudos do grupo de pesquisa coordenado por Braga é o registro e a análise do speckle dinâmico ou bio-speckle. Segundo o professor, essa ferramenta, tão importante para a sua pesquisa, há pouco tempo era vista como um ruído nos trabalhos de outros pesquisadores. Para obter informações de um padrão de interferência dinâmico como esse, muitas técnicas de processamento de imagens foram desenvolvidas e estão sendo pesquisadas e, segundo o professor "este deve ser o ponto forte das pesquisas nesse setor".

Na Ufla, os primeiros experimentos com o bio-speckle laser foram feitos com sementes de feijão. Nesta etapa, o objetivo era avaliar o vigor e a viabilidade das sementes, mas os pesquisadores tinham como obstáculos, por exemplo, a influência da umidade e de fungos. O estudo possibilitou quantificar a umidade de cada semente, sendo que os métodos convencionais são capazes de medir apenas a umidade do lote. Com o laser, os pesquisadores conseguiram medir, ainda, os níveis elevados de umidade, o que também não é possível pelo método convencional. As experiências envolvem pesquisadores de diferentes áreas da Universidade e os resultados motivaram os estudos em outros materiais e fenômenos biológicos.

Mais uma aplicação inovadora para o laser é a identificação rápida e objetiva da existência de fungos nas sementes. Atualmente, para obter essa informação, os pesquisadores precisam esperar que os fungos se desenvolvam e formem colônias visíveis a olho nu, um trabalho demorado. A observação através do laser é instantânea e o resultado não depende do julgamento humano. O grupo conta com a participação do professor do Departamento de Agricultura José da Cruz Machado, que já obteve bons resultados com duas espécies de fungos em feijão, tornando a técnica promissora nessa área.

Reprodução animal


Coleta de sêmen de carneiro.
Depois de comprovar a eficiência da nova tecnologia nas sementes, os pesquisadores perceberam que o laser também pode ser uma importante ferramenta para os profissionais da área de andrologia, ou seja, aqueles que trabalham, em Medicina Veterinária, com reprodução e avaliação de fertilidade em reprodutores do sexo masculino.



Avaliar a qualidade do sêmen de bovinos, eqüinos e ovinos, entre outras espécies, é uma tarefa corriqueira dos veterinários especializados em andrologia. Afinal, a qualidade do sêmen está diretamente relacionada à fertilidade e à quantidade dos filhotes a serem gerados. Com o desenvolvimento e expansão de técnicas de reprodução animal como a transferência de embriões, a fertilização in vitro e a clonagem, a avaliação quantitativa e objetiva do sêmen e dos espermatozóides tem se tornado cada vez mais necessária.

No entanto, os equipamentos disponíveis no mercado capazes de fazer esta avaliação ainda possuem custo elevado e, no Brasil, geralmente, restringem-se às clínicas de infertilidade humana. O custo aproximado de um modelo do SQA (Sperm Quality Analyzer), por exemplo, é de 18 mil dólares e um HTM (Hamilton-Thorn) custa quase o dobro: cerca de 30 mil dólares. Existem outras opções no mercado, mas não menos caras.

Os veterinários brasileiros costumam utilizar métodos alternativos, porém menos eficazes. Técnicos experientes observam a amostra de sêmen no microscópio óptico e classificam os espermatozóides com base em uma série de características: volume, aspecto, turbilhonamento, motilidade individual (proporção de espermatozóides móveis) e vigor. Cada característica é avaliada em porcentagem ou recebe uma nota que pode variar de um a cinco, dependendo do caso.

Apesar de economicamente mais interessante, essa metodologia está longe de ser precisa. Estudos científicos já comprovaram, por exemplo, uma variação de 30 a 60% no resultado da avaliação da motilidade individual da mesma amostra observada por técnicos diferentes. Por este motivo, encontrar uma alternativa econômica e objetiva para a realização do espermograma passou a ser um desafio para os pesquisadores.

Os professores do Departamento de Medicina Veterinária da Ufla, João Bosco Barreto Filho e Flamarion Tenório de Albuquerque, contam que os resultados animadores com o uso do laser na agricultura os motivaram a procurar o professor Roberto Braga para testar a aplicação do bio-speckle laser também na avaliação de sêmen. A parceria tem dado certo, pois a nova metodologia além de precisa é econômica.


Imagem do material iluminado pelo laser

Segundo Barreto, "além do baixo custo, resultados preliminares mostram que o laser apresenta boa sensibilidade e que pode ser uma ferramenta de utilidade na avaliação da cinética espermática e qualidade do sêmen em Medicina Veterinária". Por enquanto, estão sendo realizados experimentos com cães, eqüinos e ovinos. O sêmen dos carneiros é muito concentrado e apresenta vigor elevado e, por isso, foi escolhido como objeto de estudo de bolsistas da universidade. Os desafios para chegar aos resultados comerciais ainda são grandes, mas a pesquisa básica que está sendo desenvolvida é fundamental, conclui Braga.

Para o professor, um dos desafios é desenvolver material e métodos para os experimentos, já que se trata de novidades. “O modelamento e o melhor conhecimento da interação entre a luz laser e o material biológico também é outro caminho prioritário”, acrescenta. Como a tecnologia pode ser aplicada em diversos ramos, resta aos interessados dar continuidade ao trabalho, de acordo com as suas necessidades.

Curiosidades
 
A palavra laser é, na verdade, a abreviatura de light amplification by stimulated emission of radiation ou, em português, amplificação de luz estimulada por emissão de radiação. Uma de suas características mais importantes é a capacidade de ser focalizado, o que permite a transferência de energia através de grandes distâncias, concentradas em apenas um ponto.

Ao contrário do que se vê em filmes de ficção científica, não são todos os tipos de laser que queimam ou perfuram qualquer objeto. Os lasers utilizados em clips musicais, em canetas apontadoras e miras de armas, por exemplo, são praticamente inofensivos. Eles apresentam risco somente se focalizados diretamente sobre a pupila, o que pode causar sérias lesões no olho.

Existem lasers utilizados no serviço militar que conseguem gerar pulsos com potência 100 vezes maior do que a gerada por todas as usinas elétricas dos Estados Unidos. Neste caso, ele pode ser muito perigoso.

Karina Almeida

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Revista Minas Faz Ciência Nº 16 (set a nov de 2003)

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