DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE COMPUTACIONAL PARA LABORATÓRIO VIRTUAL (WEBLAB) DE SISTEMA DE BIODEGRADAÇÃO AERÓBICA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS

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1 DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE COMPUTACIONAL PARA LABORATÓRIO VIRTUAL (WEBLAB) DE SISTEMA DE BIODEGRADAÇÃO AERÓBICA DE MATERIAIS POLIMÉRICOS M. A. G. Bardi 1,2*, C. K. Umezu 2, S. P. de Campos 2, D. S. Rosa 1 1 Universidade São Francisco, Laboratório de Polímeros Biodegradáveis e Soluções Ambientais 2 Universidade São Francisco, Unidade Acadêmica da Área de Ciências Exatas e Tecnológicas, Curso de Engenharia de Computação Rua Alexandre Rodrigues Barbosa, nº 45, Centro, CEP , Itatiba, SP RESUMO A comunidade científica está engajada na pesquisa por materiais que possam substituir os derivados do petróleo sem agredir o ambiente e melhorando a qualidade de vida da população. A determinação da taxa de biodegradação apresentada pelos materiais poliméricos, tal como descrito pela norma ASTM-D- 5988/96, é viável por se tratar de ensaios em escala laboratorial, porém, devido ao número de replicações das amostras, há a necessidade de uma grande disponibilidade de recursos. A automação de experimentos permite que grupos de pessoas possam acompanhar, em tempo real, sua evolução, mesmo que distantes do mesmo. Neste trabalho são apresentados os resultados do desenvolvimento do ambiente computacional automatizado para quantificação da biodegradação através da produção de dióxido de carbono. O ambiente foi desenvolvido usando práticas de software livre e ferramentas de domínio público, possuindo uma interface gráfica que permite atuar sobre o ensaio e acompanhá-lo de forma local ou remota, através da Internet. Palavras-chave: laboratório virtual, biodegradação, weblab, automação, polímeros biodegradáveis INTRODUÇÃO Com o crescente desenvolvimento de atividades que exijam o processamento contínuo e prolongado de determinados ensaios e atividades, busca-se que tais processos, antes executados por humanos, sejam gradativamente automatizados e controlados por sistemas capazes de tomar certas decisões e solicitar, quando necessário, uma ação do usuário. Dessa forma, nota-se que os recursos humanos antes empregados na execução do ensaio não mais terão suas horas alocadas continuamente para a execução de tal ensaio;

2 pelo contrário, enquanto uma série de análises é realizada, este ator poderá passar a realizar outras tarefas e assim se mostrar mais dinâmico e produzir muito mais. Atualmente, com o advento da Internet, os laboratórios virtuais (web labs) vêm se tornando cada vez mais populares, pois são capazes de conduzir um experimento a qualquer hora e de qualquer lugar (1-3). Em seu trabalho (4), García-Zubia ainda afirma que o uso de laboratórios virtuais está crescendo em importância devido à necessidade de se descentralizar funções em laboratórios e salas de aula, permitindo que seus recursos estejam disponíveis em qualquer lugar e em qualquer momento. Os laboratórios virtuais foram primeiro usados pelo Massachussets Institute of Technology (MIT) para fins de adquirir dados, em tempo real, de um hardware CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), localizado no Grupo de Desenvolvimento Alpha da Compaq, em Shrewsbury, Massachussetts (5). Em seguida, esta prática foi adotada para o acompanhamento diário de estruturas submetidas a diferentes tipos de fadigas mecânicas pelo curso de Engenharia Civil, no funcionamento de um trocado de calor pelo curso de Engenharia Química e para análise de estruturas mecânicas por meio dos cursos de Engenharia Aeronáutica e Astronomia (5). De acordo com Sandhu (5), a prática de automação de experimentos permite que grupos de pessoas possam, em conjunto, estudar, em tempo real, a ocorrência de determinado fenômeno e expor suas idéias, mesmo que distantes do experimento realizado. No trabalho citado (5), imaginou-se utilizar sistemas automáticos na realização de experimentos constantes do curso de Engenharia Mecânica do MIT e que pudessem ser visualizados remotamente, via web-can ou vídeo-conferência. Laverty Jr (6) realizou estudos sobre um laboratório virtual desenvolvido para análises mecânicas em ambientes marinhos, de modo a estudar conceitos de hidrodinâmica marinha através de experiências laboratoriais. De acordo com o referido trabalho, o laboratório virtual permite que usuários acessem remotamente experimentos em andamento e a processar informações já coletadas e armazenadas nos bancos de dados do sistema. De acordo com a literatura (7-9), as principais tendências de tecnologia e arquiteturas empregadas no desenvolvimento de weblabs são as seguintes: instrumentação remota: um ou mais experimentos onde o usuário somente poderá ativar sua(s) entrada(s) (switches virtuais, geradores de sinal etc.) e verificar suas saídas virtuais ou reais (através de webcam, para LED's, sinais em osciloscópios etc.) Um exemplo é o descrito por Gustavsson e colaboradores (7), onde o usuário pode visualizar as alterações causadas na variação de voltagem através de uma webcam conectada a um osciloscópio

3 controle remoto de parâmetros: os usuários têm a liberdade de alterar os parâmetros de controle de modo a modificar a lógica do sistema. Um exemplo de aplicação é em um sistema PID, descrito por Casini e colaboradores (8), onde o usuário pode manipular alguns parâmetros (controle de posição, controle de velocidade, controle de nível, controle de fluxo etc.) que influenciam a lógica do modelo enquanto os resultados podem continuar a ser visualizados usando-se uma webcam. lógica de controle remoto: os usuários podem alterar os parâmetros lógicos e de controle do sistema. Um exemplo seria um modelo didático clássico controlado por CLP, microcontrolador, DSP, PLD ou FPGA que foi carregado por uma aplicação (LabView ou semelhante). Neste caso, pode ocorrer que o sistema seja destruído pela ação de erros de programação causados pelo usuário, visto que este tem todo o controle das variáveis envolvidas no experimento (7,9). Muitos esforços têm sido feitos para se popularizar ainda mais a aplicação dos laboratórios virtuais. Basicamente, os laboratórios virtuais são compostos por três partes principais, normalmente conhecidos por camadas (tiers, do inglês), tal como listado pelos principais autores da área (1,10,11) e ilustrado na Figura 1: console do cliente, o qual fornece ao executor da tarefa poderes de administração do experimento e controle de parâmetros a serem capturados durante o experimento. Ainda permite ao usuário descrever, através de um script o roteiro da análise a ser realizada pelo equipamento remoto; service broker, que é um sistema intermediário ao cliente/servidor e que permite a autenticação somente de clientes autorizados ao servidor em questão. De certa forma, esta camada lida com tarefas administrativas e de gerenciamento, além de realizar controle de congestionamento do servidor e formatar as informações enviadas pelo mesmo de uma forma que o cliente possa compreender (11) ; console do servidor, o qual implementa, propriamente dito, o experimento e executa os passos descritos no script pelo usuário do sistema

4 Figura 1 - Topologia de um modelo de arquitetura de laboratórios virtuais (1,10). Com a análise de todos os itens apresentados neste texto, deve-se garantir que a segurança do ponto de vista da Tecnologia da Informação seja preservada de modo que o sistema no qual o weblab está inserido, o da própria universidade, seja preservado. Em algumas situações, a arquitetura do weblab pode requisitar a abertura de muitas portas, o que vai contra as políticas de segurança da informação normalmente adotadas. De modo a se poder avaliar a eficiência de um laboratório virtual, deve-se adotar experimentos que possam ser analisados continuamente, durante um longo espaço de tempo. Além disso, deve-se pensar em análises que possam ser úteis do ponto de vista social e acadêmico, podendo muitas vezes alcançar escalas produtivas e de mercado. Atualmente, com a crescente preocupação de diversos cientistas com os assusntos relacionados ao meio ambiente e aos agressivos ataques que a humanidade vem causando ao mesmo, analisar o comportamento de matérias-prima que não agridam o meio ambiente e que, quando aplicados em produtos apresentem baixa vida útil após o seu descarte e possam ser facilmente assimilados pela Natureza quando descartados inadequadamente (12) vem sendo muito discutido. E é entre estes materiais, os chamados bio-corretos, que se enquadram os polímeros biodegradáveis. Os materiais biodegradáveis são aqueles que, por meio da biodegradação, são completamente (bio)assimilados pela ação de mecanismos microbianos, transformando-os em elementos não nocivos à natureza, formadores da chamada biomassa (13). De acordo com Krzan e colaboradores (14), os polímeros naturalmente biodegradáveis fazem parte de um grupo de materiais especiais que vêm apresentando um rápido crescimento em número dos tipos, bem como em suas aplicações e em quantidades que são utilizados. Assim, a obtenção de um laboratório virtual que possa quantificar a taxa de biodegradação aeróbica (perda de massa e de propriedades físicas de um material quando introduzido em um meio rico em microorganismos) apresentada pelos materiais poliméricos,

5 tal como o método descrito pela norma ASTM-D-5988 (15), onde uma pequena massa de material poderia utilizada, se torna viável por se tratar de ensaios em escala laboratorial. Além disso, pela necessidade de realizar os ensaios de forma redundante, o que levaria à elaboração de um gigantesco aparato de equipamentos, o que tomaria grande parte do tempo disponível, de acordo com o apresentado por Bragança (16), caso este processo viesse a ser desenvolvidos manualmente. Além disso, o desenvolvimento de tal sistema quantificador da produção de dióxido de carbono (CO 2 ) também requisitaria que recursos humanos constantemente realizassem medições em todos os sistemas simultâneos de biodegradação, visto que a referida norma (15) recomenda que leitura sejam feitas a cada 2 dias durante as primeiras 4 semanas e semanalmente a partir de então. Tendo-se em vista que, para cada leitura são gastos normalmente 15 minutos para titulação e mais 30 minutos para se renovar o ar do ambiente, leva-se cerca de 45 minutos para se realizar uma única leitura. Se considerarmos que temos 5 tipos de materiais diferentes, e para cada material temos 3 repetições a realizar, obtemos um total de 15 repetições, o que nos levaria a uma quantidade de horas extremamente elevadas e gastas em um processo que consiste basicamente de ações repetitivas. Assim, este trabalho tem por objetivo estudar a tecnologia de laboratórios virtuais através de diversos enfoques e apresentar um protótipo universal para conexão de quaisuqer equipamentos como entrada ao laboratório virtual. Como método de avaliação, pretende-se desenvolver um esquema automatizado de quantificação da biodegradação polimérica através da produção de dióxido de carbono de acordo com a norma ASTM-D- 5988/96 (15). MATERIAIS E MÉTODOS MATERIAIS Vasilhame com volume interno de 2l; Solo simulado para ensaio de biodegradação, contendo 23% de terra, 23% de areia, 23% de esterco bovino e 31% de água destilada. FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS Sistema operacional Debian GNU/Linux versão 4.0 r3 Etch, para arquiteturas Intel x86, disponível para download gratuito em <www.debian.org.br> (acesso em 16 jun 2008);

6 Linguagem interpretada Python versão 2.4, presente como padrão no sistema operacional Debian citado anteriormente; Servidor Apache, com extensão à scripts CGI, presente como padrão no sistema operacional Debian citado anteriormente; Banco de dados MySQL versão 5.0.5, presente como padrão no sistema operacional Debian citado anteriormente; Módulo de expansão da linguagem Python (API) MySQLdb, disponível em <www.python.org> (acesso em 05 mai 2008); DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS Como a concentração de dióxido de carbono a ser medida é baixa, comparada com outros sensores utilizados, tais como o de aferição de escapamentos automotivos, foi adquirido um sensor de dióxido de carbono com range de ppm, exatidão de 50 ppm, fabricado por Elektronic Ges.m.d.H, Alemanha. Com relação ao modo de se converter os valores analógicos fornecidos pelo sensor em números digitais, de modo que os valores possam ser computados pelo software do weblab, verificou-se na literatura o emprego de uma placa de aquisição de dados modelo 6024E fabricada pela National Instruments, a qual já foi utilizado por vários autores (17-18). RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figura 2 apresenta um modelo da arquitetura proposta para o sistema de laboratório virtual. Pela Figura 2, modificada de García-Zubia (4) verifica-se que o sistema é composto por três entidades principais: servidores de processo, usuários finais e service broker, cujas funcionalidades foram descritas na revisão da literatura apresentada (1,10-11). Note que podem haver tantos servidores e usuários finais quanto forem necessários, de que obedeça a algum limite, ainda a ser definido, de atendimento de requisições imposto ao único service broker do sistema

7 p P r o c e s s o s SNMP s Servidores Service Broker HTTP u Usuários Finais Figura 2: Arquitetura proposta para o WebLab. A arquitetura proposta permite que cada nível da mesma apresente um tipo de implementação própria e diferenciada, porém comunicantes entre si, tal como descritos a seguir: Os servidores de processo seriam as aplicações físicas em si que estão em contato direto com o service broker. Cada servidor deve apresentar uma base de dados específica que permite armazenar, em tempo real, os dados que estão sendo coletados e que, quando solicitados, enviem suas informações para uma base temporária no service broker. Os servidores devem ser implementados de forma simples, de preferência em linguagem C, padrão ANSI. A comunicação entre os servidores e o service broker deve ser realizada via protocolo SNMP (Simple Network Manager Protocol); O Service Broker é a entidade hierárquica responsável por fazer a interação entre os usuários finais e os servidores de processo, fornecendo autorização para acessar determinadas informações. Note que esta entidade é única e centralizadora de poderes, restringindo o acesso indevido de usuários não-autorizados. Em caso de falhas, permite que os servidores de processo continuem funcionando normalmente, visto que a interação entre os servidores e o service broker não é contínua. Basicamente, duas aplicações estarão em funcionamento nesta entidade: o servidor Apache e as bases de dados MySQL, além das rotinas de operações apresentadas em scrips CGI empregando-se Python; Já as aplicações dos usuários finais seriam meros ambientes desenvolvidos para browser Internet, que interage diretamente com o Service Broker. Algumas das funcionalides inerentes seriam autenticação do usuário, solicitação de serviços, atuação em servidores de processo e visualização de resultados. A comunicação

8 entre os usuários finais e o service broker será realizada via HTTP (HyperText Transfer Protocol). Durante a fase de esquematização do projeto mecânico, procurou-se encontrar na Literatura um guia para a melhor implementação do dispositivo, sendo que optou-se pelo processo descrito por Columbus Instruments (19). Assim, nesta fase de desenvolvimento do projeto, teve-se ainda que definir a forma de transferência do dióxido de carbono produzido para a tubulação que leva até o sensor quantificador desta produção, localizado na extremidade desta. De acordo com observações do mundo real, três opções foram levantadas como possíveis solucionadoras do problema, a saber: Passagem natural; Passagem acelerada por ventilação forçada; Passagem por vácuo. Analisando-se mais detalhadamente, durante a atual fase do desenvolvimento do projeto, as diversas opções citadas, verificou-se que a mais adequada para as condições do projeto seria a criação de um fluxo de gás gerado graças à diferenças leves na pressão do meio, através do fornecimento de um baixo nível de vácuo, próximo a 10-1 mbar, o que já fornece uma velocidade de escoamento considerável para o fluído, em função da área disponível para escoamento, de acordo com o que define a Equação 1: Q = A v Equação 1 onde: Q = Vazão do fluido (m 3 s -1 ) A = Área da secção transversal do tubo coletor (m 2 ) v = Velocidade do fluido (m s -1 ) Deve-se fazer uma ressalva que o nível de vácuo que deve ser adotado foi o que apresentou uma vazão que proporcionasse uma velocidade de medição adequada à sensibilidade do sensor escolhido, pois se deve lembrar de que, caso o fluido passe muito rapidamente pela extremidade medidora, corre-se o risco de se obter leituras errôneas e que se refiram a dados não-reais. Ainda como justificativa à aplicabilidade da fluidez graças à variações de pressão interna, deve-se ressaltar que esta forma não causará poluição dos resultados, ou seja, não

9 será necessária a injeção de determinada dose de ar externo de modo a favorecer transposição, como estava previsto para o caso de ventilação forçada. Assim, somente ficará dentro do recipiente o gás realmente produzido a partir do processo de degradação do material polimérico. Para a implementação eletrônica, deve-se compreender a interação entre os dispositivos analógicos com o processo de produção de CO 2, de acordo com a ASTM-D- 5988/96. A distância entre os frascos foi considerada a menor possível, de modo que o processo de leitura/estabilização fosse minimizado. Entre os dois vasilhames, foi inserida uma válvula solenóide de acionamento elétrico, responsável pela liberação do gás a partir do vasilhame produtor rumo àquele que contem o sensor. Em seguida, uma válvula é aberta para renovar o ar presente no vasilhame de produção e para que o gás já quantificado também fosse expelido. CONCLUSÕES A melhor forma de se projetar o weblab é em três camadas independentes, porém comunicantes entre si, o que permite que níveis de segurança possam ser incorporados às camadas sem prejudicar a integridade da rede corporativa como um todo, além de deixar as atividades transparentes tanto para o lado cliente quanto para o servidor. Durante a fase de projeto, foi visto que questões da complexidade do sistema, e de suas funcionalidades, devem ser consideradas desde o princípio, procurando responder à questões que resumam estas idéias. A utilização de dispositivos de coleta de dados já empregados pela literatura fornecem um grau de confiabilidade dos dados apresentados maior, além de que facilita também o desenvolvimento de aplicações para ela, já que apresentam normalmente softwares embarcados. Para o desenvolvimento de aplicações web, deve-se sempre vislumbrar linguagens de programação que já apresentem funções e módulos já prontos para manipular rotinas de rede, tais como scripts CGI. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP (processo nº 04/ ) e à Universidade São Francisco

10 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) NÚÑES, Gerardo Viedma. Design and implementation of the feedback systems web laboratory p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação) Massachussets Institute of Technology, Massachussets, U.S.A. (2) ALAMO, Jesús A. del; CHANG, Victor; HARDISON, James; ZYCH, David; HUI, Lisa. An online microelectronics device characterization laboratory with a circuit-like user interface. In: American Conference on Engineering Education, Valencia, Spain, July, 21-25, (3) CESCHINI, Gabriela W.; PEREIRA, Gilberto A.; CUNHA, Rafael A.; CUGNASCA, Carlos E.; SARAIVA, Antonio M. The greenhouse web lab: implementation of a remotely monitored and controlled greenhouse. In: III Workshop FAPES TIDIA 2006, São Paulo, SP, Brazil, pp.112, November, 15-17, (4) GARCÍA-ZUBIA, Javier; LÓPEZ-DE-IPIÑA, Diego; ORDUÑA, Pablo.; HERNÁNDEZ, Unai.; TRUEBA, Ivan. Questions and answers for designing useful weblabs. International Journal of Online Engineering, v.2, n.3, 6p (5) SANDHU, Jaspal Singh. An active engagement pedagogy for introductory solid mechanics p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Massachussetts Institute of Technology, Massachussetts, U.S.A. (6) LAVERTY Jr, Stephen Michael. Experimental hydrodynamics of spherical projectiles impacting on a free surface using high speed imaging techniques p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Oceânica) Massachussets Institute of Technology, Massachussets, U.S.A. (7) GUSTAVSSON, I. et al. A flexible remote electronics laboratory. In: 2nd International Symposium in Remote Engineering and Virtual Instrumentation, REV 2005, Brasov, Romaine, July, (8) CASINI, M.; PRATTICHIZZO, D.; VICINO, A. e-learning by remote laboratories: a new tool fo control education. In: The 6th IFAC Conference on Advances in Control Education, Finland, (9) GARCÍA-ZUBIA, J et al. A new approach for implementing remote laboratories: a practical case. In: 2nd International Symposium REV, Brasov, Romaine, July, (10) SOLIS, Adrian. MIT device simulation weblab: an online simulator for microeletronic device p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e

11 Ciência da Computação) Massachussetts Institute of Technology, Massachussetts, U.S.A. (11) VIEDMA, Gerardo.; DANCY, Isaac J..; LUNDBERG, Kent H.. A web-based linearsystems ilab. In: American Control Conference, Portland, O.R., U.S.A. June, 18-21, (12) ROY, P. K.; SUREKHA, P.; RAJAGOPAL, C.; RAMAN, R.; CHOUDHARY, V. Study on the degradation of low-density polyethylene in the presence of cobalt stearate and benzyl. Journal of Applied Polymer Science, v.99, p , (13) BARDI, M. A. G.; ROSA, D. S.; Avaliação da biodegradação em solo simulado de poli(ε-caprolactona), acetato de celulose e suas blendas. Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, v.26, n.1, p.43-47, (14) KRZAN, A. et al. Standardization and certification in the area of environmentally degradable plastics. Polymer Degradation and Stability, v.91, p , (15) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. Standard test method for determining aerobic biodegradation in soil of plastic materials or residual plastic materials after composting. Phyladelphia, (16) BRAGANÇA, Fabio do Carmo. Desenvolvimento de blendas de poli(εcaprolactona) e acetato de celulose e suas propriedades mecânicas, térmicas, morfológicas e de biodegradação p. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais) Universidade São Francisco, Itatiba. (17) CARBALLO, V.M. Blanco; CHEFDEVILLE, M.; COLAS, P.; GIOMATARIS, Y.; VAN DER GRAAF, H.; HARTJES, F.; KLUIT, R.; KOFFEMAN, E.; SALM, C.; SCHIMTZ, J.; SMITS, S.M.; TIMMERMANS, J.; VISSCHERS, J.L. Charge amplitude distribution of the Gossip gaseous pixel detector. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v.583, n.1, p , (18) D ALESSANDRO, R.; HARTJES, F.; LAGOMARSINO, S.; SCIORTINO, S. Influence of temperature on the response of high-quality polycrystalline diamond detectors. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, v.570, n.2, p , (19) COLUMBUS INSTRUMENTS. Micro-Oxymax Layman s guide to measurement principles. Columbus Instruments. 9p Arquivo enviado por

12 DEVELOPMENT OF FRAMEWORK FOR A WEBLAB-BASED POLYMERIC MATERIALS BIODEGRADATION SYSTEM ABSTRACT The scientific society is widely researching materials that can substitute the petroleum derivatives but not harming the environment and also improving the life quality. The determination of the biodegradation rate presented by these polymeric materials, as the method described by ASTM-D-5988/96 standard, is tangible because is a laboratorial scale testing, but it requires a great number of replication for each sample, and so becoming necessary the allocation of many hours of staffs. In this context, the automation of experiments allows that groups of people can accompany, in real time, their evolution, even though these people are too physically distant. In this work, the results of the development of a web-based framework for quantifying the biodegradation of polymeric materials are discussed. The framework was developed applying the free software practices and public tools, containing a graphic interface that allows their users to actuate over the experiment by the Internet. Key-word: web lab, biodegradation, automation, biodegradable polymers

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