Soluções bioinspiradas

Pesquisador da Unicamp ligado ao Cepof ganha prêmio em congresso internacional ao aplicar algoritmos que se baseiam em mecanismos biológicos para melhorar dispositivos eletromagnéticos

Por Alex Sander Alcântara

Agência FAPESP – A partir de aplicações de algoritmos bioinspirados, que se baseiam em mecanismos biológicos, Carlos Henrique da Silva Santos, doutorando na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), recebeu o prêmio de melhor artigo na categoria “PhD Students” no SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optolectronics Conference 2009, realizado em novembro em Belém (PA).

Autor principal do trabalho Design of photonic devices using bio-inspired algorithms, Santos aplicou três diferentes tipos desses algoritmos, que se baseiam em computação, matemática e biologia, para melhorar dispositivos eletromagnéticos. O artigo será publicado em breve no portal IEEE Xplore.

Segundo o pesquisador do Departamento de Micro-ondas e Óptica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC), o principal objetivo do trabalho foi a aplicação na otimização de dispositivos fotônicos com modelagem numérica bidimensional.

“Estamos aplicando os algoritmos bioinspirados na modelagem de diferentes dispositivos em micro-ondas e fotônica como, por exemplo, antenas, filtros, guias de ondas e estruturas metamateriais. Mas esses algoritmos podem ter aplicações em muitas outras áreas”, disse à Agência FAPESP .

O artigo premiado é parte da tese de doutorado, com Bolsa FAPESP, intitulada “Algoritmos evolutivos paralelos para análise de estruturas metamateriais em micro-ondas e fotônica”, orientada pelo professor Hugo Figueroa. O estudo está ligado ao Centro de Óptica e Fotônica (Cepof) da Unicamp, um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepids) da FAPESP.

Segundo Santos, o grupo utilizou três tipos diferentes de algoritmos bioinspirados – algoritmo genético, estratégia evolutiva e sistema imunológico artificial – disponíveis na literatura.

“Integramos esses algoritmos com o método de elementos finitos bidimensional (FEM 2D), que é um importante método numérico para a modelagem de dispositivos eletromagnéticos e bastante eficiente em aplicações no domínio da frequência”, explicou.

Os algoritmos bioinspirados fazem parte dos estudos da computação natural, que está inserida na área de inteligência computacional. Segundo o cientista, os algoritmos genéticos resolvem problemas computacionais por meio da modelagem do processo de evolução natural. “Com eles, realizamos processos evolutivos até encontrar soluções adequadas para determinado problema”, disse.

“Validamos os algoritmos com alguns testes disponíveis na literatura e aplicamos na otimização de antenas de microfita em mono e multiobjetivo. Em fotônica otimizamos filtros para-banda, no acomplamento ar com guia-de-onda e em um divisor de potência desbalanceado”, disse.

Santos exemplifica a aplicação com uma antena de celular que não funciona muito bem em determinada região. “Para melhorar e tornar esse celular eficiente, podemos modelar essa antena em algum software e aplicar esses algoritmos de otimização de modo a melhorar a sua eficiência.”

“Podemos fazer isso passando como parâmetros de otimização as dimensões da antena e os materiais utilizados em sua fabricação, entre outros. Em cima desses dados e de algumas restrições que impomos, os algoritmos tentarão nos prover um modelo mais eficiente de antena”, explicou.

Menos tempo

O foco do estudo de Santos é avaliar o desempenho dos algoritmos bioinspirados em otimizações de dispositivos em micro-ondas e fotônica e conhecê-los melhor para possíveis incrementos. Além da eficiência na otimização, outro ponto destacado é o tempo de processamento que um algoritmo bioinspirado leva para otimizar cada estrutura.

“O tempo de processamento é importante, pois cada procedimento pode levar dias para ser concluído. Conhecendo melhor os algoritmos iniciamos melhorias para a redução desse tempo. Também estamos trabalhando no processamento paralelo desses algoritmos de otimização e nos métodos numéricos para reduzir ainda mais esse tempo”, contou.

Para melhorar o processo, foram realizadas algumas mudanças nos algoritmos, com a inserção de estruturas de dados para melhorar o gerenciamento, reduzindo o tempo de processamento e a quantidade de execuções das funções objetivas.

Santos destaca a eficiência desses algoritmos. “Eles apresentam boa flexibilidade e facilidade de adaptação em diferentes problemas. A quantidade de recursos que podem ser incrementados e explorados para melhoria dos algoritmos no eletromagnetismo computacional também chama a atenção da comunidade científica”, disse.

“Além disso, esse trabalho, que tem a colaboração de pesquisadores da FEEC e da Faculdade de Tecnologia da Unicamp, proporcionou novos projetos relacionados e que em breve serão publicados”, disse.

O artigo Design of Photonic Devices Using Bio-Inspired Algorithms, de Carlos Henrique da Silva Santos e outros, pode ser lido por assinantes em breve no portal http://www.ieee.org/portal/innovate.