Modelo matemático inovador é testado em estudos com anfíbios

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 Antonio Carlos Quinto / Agência USP de Notícias

No Instituto de Física de São Carlos (IFSC) da USP, cientistas desenvolveram um modelo matemático capaz de “turbinar” as aplicações baseadas em um fenômeno da física conhecido como entropia. Na prática, o novo modelo poderá servir de base para a criação de softwares que possibilitem melhores performances em tratamento de dados que se utilizem de sinais. “Podemos imaginar, por exemplo, aparelhos de eletrocardiograma mais precisos”, exemplifica o professor Odemir Bruno, do IFSC.

Foto: Divulgação

 

Mas as aplicações serão inúmeras, tanto que o modelo acaba de ser testado no Florida Institute of Tecnology (FIT), nos EUA, numa modalidade de estudos que os cientistas do IFSC sequer imaginariam. “O modelo foi aplicado num sistema que afere o coaxar dos sapos numa lagoa”, conta o professor. Na verdade, a proposta partiu do professor Eraldo Ribeiro, do FIT, que vem realizando estudos nesta área. “Análises dos sons do coaxar dos sapos são ferramentas importantes na avaliação de ecossistemas”, conta Bruno. “Os sons emitidos pelos anfíbios são gravados em equipamentos específicos e análises irão indicar as condições, satisfatórias ou não, daquele ambiente.”

O interesse do professor Eraldo Ribeiro foi pelo trabalho do físico Lucas Assirati, que desenvolveu seu mestrado no IFSC. Com os sons gravados dos anfíbios, o professor do FIT os compara a um banco de dados (padrão) o que possibilita análises de avaliação do meio ambiente. “O trabalho de Lucas permitiu análises mais apuradas e precisas”, afirma Bruno.

Entropia

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De acordo com o professor Bruno, a entropia pode ser definida, em termos simples, como a medida do nível de desordem de um sistema. “Quanto maior a desordem, maior é o valor de entropia”, descreve. Embora o conceito tenha sido originado no campo da termodinâmica e mecânica estatística, tem diversas aplicações em muitos outros campos da ciência como comunicação, economia, tecnologia, linguística, musica, dentre outros.

Bruno conta que os primeiros estudos acerca de entropia foram realizados pelo físico austríaco Ludwig Boltzmann, que fez uma análise a respeito da reversibilidade dos fenômenos físicos: “Não há nenhuma violação das leis físicas se os pedaços de um vaso que foi estilhaçado se juntassem novamente para reobter a forma original do vaso”, exemplifica. “Porém a probabilidade que esse fenômeno aconteça é tão improvável, que pode ser considerada impossível.” O vaso em sua forma original tem um valor de entropia. Ao cair no chão e se estilhaçar, o valor de entropia aumenta, pois a desordem aumenta. “Fenômenos físicos como este, têm um sentido mais provável de ocorrência”, observa Lucas Assirati. O vaso vai de um estado de entropia mais baixa para um de entropia mais alta.

Além dos estudos de Boltzmann, Bruno cita ainda os estudos do pesquisador grego radicado no Brasil, Constantino Tsallis, na década de 1980. Ele propôs uma entropia diferente com uma possibilidade a mais de ajuste na equação.
Em seu trabalho, Lucas estudou Tsallis e a possibilidade de generalizar a entropia de Boltzmann, o que resultou em resultados até quatro vezes melhores.

Nos testes realizados no FIT, a performance de análise dos sinais permitiu ao professor Ribeiro substituir seus métodos tradicionais, até então utilizados. “O novo modelo permitiu uma apuração dos dados muito mais precisa, em comparação a um especialista, no caso, um biólogo”, garante Bruno.

Ribeiro valia-se de análises baseadas na imagem proveniente do som dos sapos. “Em outras palavras, a amostra de áudio do anfíbio era convertida em uma imagem [chamada espectrograma] que é a representação gráfica dessa amostra de áudio”, explica Assirati. “A metodologia que propus consistiu em transformar essa imagem em um sinal probabilístico, com posterior análise do sinal — utilizando a entropia como ferramenta — proveniente dessa imagem”, descreve. “Os resultados foram melhorados e proporcionaram uma identificação de espécies de sapos mais precisas”, afirma.

Prêmio

Foto: Divulgação
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Mesmo antes de ter apresentado seu estudo de mestrado, Assirati ganhou um prêmio de melhor pesquisa do IFSC em 2013. O trabalho Estudo da entropia como metodologia para o reconhecimento de padrões em texturas conquistou o prêmio Yvonne P. Mascarenhas no Instituto, em dezembro de 2013, durante a terceira edição da Semana Integrada do Instituto de Física de São Carlos (3º SIFSC), na categoria mestrado.

Em breve, o estudo será publicado numa importante revista científica internacional. O artigo será assinado pelo professor Eraldo Ribeiro e pelos cientistas do Grupo de Computação Científica, que é subordinado ao Grupo de Computação Interdisciplinar do IFSC, da qual fazem parte Odemir Bruno e Lucas Assirati, entre outros.

Mais informações: email bruno@ifsc.usp.br, com o professor Odemir Bruno, ou email lucasassirati@gmail.com, Lucas Assirati

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