Como você pode usar a ciência para construir uma casa de pão de gengibre melhor?
Isso foi algo em que Miranda Schwacke passou muito tempo pensando. O aluno de pós-graduação do MIT no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) faz parte do Assuntos de cozinhaum grupo de estudantes de pós-graduação que usam alimentos e utensílios de cozinha para explicar conceitos científicos por meio de vídeos curtos e eventos de divulgação. Os tópicos anteriores incluíam por que o chocolate “gruda” ou se torna difícil de trabalhar quando derrete (spoiler: a água entra) e como fazer isomalte, o copo de açúcar pelo qual os dublês saltam em filmes de ação.
Há dois anos, quando o grupo estava gravando um vídeo sobre como construir uma casa de gengibre estruturalmente sólidaSchwacke vasculhou livros de receitas em busca de uma variável que produzisse a diferença mais dramática nos biscoitos.
“Eu estava lendo sobre o que determina a textura dos biscoitos e tentei várias receitas na minha cozinha até conseguir duas receitas de pão de gengibre que me agradaram”, diz Schwacke.
Ela se concentrou na manteiga, que contém água que se transforma em vapor em altas temperaturas de cozimento, criando bolsas de ar nos biscoitos. Schwacke previu que diminuir a quantidade de manteiga produziria um pão de gengibre mais denso, forte o suficiente para se manter unido como uma casa.
“Esta hipótese é um exemplo de como a mudança na estrutura pode influenciar as propriedades e o desempenho do materials”, disse Schwacke no vídeo de oito minutos.
Essa mesma curiosidade sobre as propriedades e o desempenho dos materiais impulsiona a sua investigação sobre o elevado custo energético da computação, especialmente para a inteligência synthetic. Schwacke desenvolve novos materiais e dispositivos para computação neuromórfica, que imita o cérebro processando e armazenando informações no mesmo native. Ela estuda sinapses iônicas eletroquímicas – pequenos dispositivos que podem ser “sintonizados” para ajustar a condutividade, assim como os neurônios que fortalecem ou enfraquecem as conexões no cérebro.
“Se olharmos para a IA em explicit – para treinar estes modelos realmente grandes – isso consome muita energia. E se compararmos isso com a quantidade de energia que consumimos como seres humanos quando estamos aprendendo coisas, o cérebro consome muito menos energia”, diz Schwacke. “Isso foi o que levou à ideia de encontrar maneiras de fazer IA mais inspiradas no cérebro e com maior eficiência energética.”
Seu conselheiro, Bilge Yildiz, ressalta esse ponto: uma das razões pelas quais o cérebro é tão eficiente é que os dados não precisam ser movidos para frente e para trás.
“No cérebro, as conexões entre nossos neurônios, chamadas sinapses, são onde processamos as informações. A transmissão do sinal está lá. Ele é processado, programado e também armazenado no mesmo native”, diz Yildiz, professor de Breene M. Kerr (1951) no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear e DMSE. Os dispositivos de Schwacke visam replicar essa eficiência.
Raízes científicas
Filha de uma mãe bióloga marinha e de um pai engenheiro elétrico, Schwacke esteve imersa na ciência desde muito jovem. A ciência “sempre fez parte de como eu entendia o mundo”.
“Eu period obcecada por dinossauros. Queria ser paleontóloga quando crescesse”, diz ela. Mas seus interesses se ampliaram. No ensino médio em Charleston, Carolina do Sul, ela participou de uma competição de robótica da FIRST Lego League, construindo robôs para realizar tarefas como empurrar ou puxar objetos. “Meus pais, principalmente meu pai, se envolveram muito na equipe da escola e nos ajudaram a projetar e construir nosso pequeno robô para a competição.”
Enquanto isso, sua mãe estudou como as populações de golfinhos são afetadas pela poluição para a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional. Isso teve um impacto duradouro.
“Esse foi um exemplo de como a ciência pode ser usada para compreender o mundo e também para descobrir como podemos melhorá-lo”, diz Schwacke. “E é isso que sempre quis fazer com a ciência.”
Seu interesse pela ciência dos materiais surgiu mais tarde, em seu programa magnético no ensino médio. Lá, ela conheceu o assunto interdisciplinar, uma mistura de física, química e engenharia que estuda a estrutura e as propriedades dos materiais e usa esse conhecimento para projetar novos.
“Sempre gostei que isso vá desde esta ciência básica, onde estudamos como os átomos se ordenam, até estes materiais sólidos com os quais interagimos na nossa vida quotidiana – e como isso lhes confere propriedades que podemos ver e brincar”, diz Schwacke.
No último ano, ela participou de um programa de pesquisa com um projeto de tese sobre células solares sensibilizadas por corantes, uma tecnologia photo voltaic leve e de baixo custo que usa moléculas de corantes para absorver luz e gerar eletricidade.
“O que me motivou foi realmente compreender que é assim que passamos da luz para a energia que podemos usar – e também ver como isso poderia nos ajudar a ter mais fontes de energia renováveis”, diz Schwacke.
Após o ensino médio, ela atravessou o país para a Caltech. “Eu queria experimentar um lugar totalmente novo”, diz ela, onde estudou ciência dos materiais, incluindo materiais nanoestruturados milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo humano. Ela se concentrou nas propriedades e na microestrutura dos materiais – a minúscula estrutura interna que governa o comportamento dos materiais – o que a levou a sistemas eletroquímicos como baterias e células de combustível.
Desafio de energia de IA
No MIT, ela continuou explorando tecnologias energéticas. Ela conheceu Yildiz durante uma reunião Zoom em seu primeiro ano de pós-graduação, no outono de 2020, quando o campus ainda operava sob os rígidos protocolos da Covid-19. O laboratório de Yildiz estuda como átomos carregados, ou íons, se movem através de materiais em tecnologias como células de combustível, baterias e eletrolisadores.
A pesquisa do laboratório sobre computação inspirada no cérebro despertou a imaginação de Schwacke, mas ela ficou igualmente atraída pela maneira de Yildiz falar sobre ciência.
“Não foi baseado em jargões e enfatizou uma compreensão muito básica do que estava acontecendo – que os íons estão indo para cá e os elétrons estão indo para aqui – para entender fundamentalmente o que está acontecendo no sistema”, diz Schwacke.
Essa mentalidade moldou sua abordagem à pesquisa. Seus primeiros projetos focaram nas propriedades que esses dispositivos precisam para funcionar bem – operação rápida, baixo consumo de energia e compatibilidade com tecnologia de semicondutores – e no uso de íons de magnésio em vez de hidrogênio, que podem escapar para o meio ambiente e tornar os dispositivos instáveis.
Seu projeto atual, foco de sua tese de doutorado, centra-se na compreensão de como a inserção de íons de magnésio no óxido de tungstênio, um óxido metálico cujas propriedades elétricas podem ser ajustadas com precisão, altera sua resistência elétrica. Nestes dispositivos, o óxido de tungstênio serve como uma camada de canal, onde a resistência controla a força do sinal, da mesma forma que as sinapses regulam os sinais no cérebro.
“Estou tentando entender exatamente como esses dispositivos alteram a condutância do canal”, diz Schwacke.
A pesquisa de Schwacke foi reconhecida com uma bolsa MathWorks da Escola de Engenharia em 2023 e 2024. A bolsa apoia estudantes de pós-graduação que utilizam ferramentas como MATLAB ou Simulink em seu trabalho; Schwacke aplicou o MATLAB para análise e visualização de dados críticos.
Yildiz descreve a pesquisa de Schwacke como um novo passo para resolver um dos maiores desafios da IA.
“Isso é eletroquímica para computação inspirada no cérebro”, diz Yildiz. “É um novo contexto para a electroquímica, mas também com uma implicação energética, porque o consumo de energia da computação está a aumentar de forma insustentável. Temos de encontrar novas formas de fazer computação com muito menos energia, e esta é uma forma que nos pode ajudar a avançar nessa direcção.”
Como qualquer trabalho pioneiro, apresenta desafios, especialmente na ligação dos conceitos entre eletroquímica e física de semicondutores.
“Nosso grupo tem formação em química do estado sólido e, quando começamos este trabalho investigando o magnésio, ninguém havia usado magnésio nesse tipo de dispositivo antes”, diz Schwacke. “Então, estávamos procurando inspiração na literatura sobre baterias de magnésio e diferentes materiais e estratégias que poderíamos usar. Quando comecei isso, não estava apenas aprendendo o idioma e as normas para um campo – estava tentando aprender para dois campos e também traduzir entre os dois.”
Ela também enfrenta um desafio acquainted a todos os cientistas: como dar sentido a dados confusos.
“O principal desafio é ser capaz de pegar meus dados e saber que os estou interpretando de maneira correta e que entendo o que eles realmente significam”, diz Schwacke.
Ela supera obstáculos colaborando estreitamente com colegas de diversas áreas, incluindo neurociência e engenharia elétrica, e às vezes apenas fazendo pequenas alterações em seus experimentos e observando o que acontece a seguir.
Assuntos comunitários
Schwacke não atua apenas no laboratório. Em Kitchen Issues, ela e seus colegas estudantes de graduação do DMSE montaram estandes em eventos locais como a Cambridge Science Truthful e o Steam It Up, um programa extracurricular com atividades práticas para crianças.
“Fizemos ‘pHun with Meals’ com ‘enjoyable’ escrito com pH, então tivemos suco de repolho como indicador de pH”, diz Schwacke. “Deixamos as crianças testarem o pH do suco de limão, do vinagre e do detergente, e elas se divertiram muito misturando os diferentes líquidos e vendo todas as cores diferentes.”
Ela também atuou como presidente social e tesoureira do grupo de estudantes de pós-graduação do DMSE, o Graduate Supplies Council. Como estudante de graduação na Caltech, ela conduziu workshops em ciência e tecnologia para Robogals, um grupo dirigido por estudantes que incentiva mulheres jovens a seguir carreiras em ciências, e ajudou estudantes a se inscreverem para bolsas de pesquisa de graduação de verão da escola.
Para Schwacke, estas experiências aguçaram a sua capacidade de explicar a ciência a diferentes públicos, uma habilidade que ela considera very important quer esteja a apresentar-se numa feira infantil ou numa conferência de investigação.
“Eu sempre penso: onde está começando o meu público e o que preciso explicar antes de começar o que estou fazendo para que tudo faça sentido para eles?” ela diz.
Schwacke vê a capacidade de comunicação como basic para a construção de uma comunidade, que ela considera uma parte importante da pesquisa. “Isso ajuda a espalhar ideias. Sempre ajuda a ter uma nova perspectiva sobre o que você está fazendo”, diz ela. “Também acho que isso nos mantém sãos durante nosso doutorado.”
Yildiz vê o envolvimento de Schwacke na comunidade como uma parte importante do seu currículo. “Ela está realizando todas essas atividades para motivar a comunidade em geral a fazer pesquisas, a se interessar pela ciência, a buscar ciência e tecnologia, mas essa habilidade a ajudará também a progredir em suas próprias pesquisas e empreendimentos acadêmicos.”
Após seu doutorado, Schwacke deseja levar essa capacidade de comunicação para a academia, onde gostaria de inspirar a próxima geração de cientistas e engenheiros. Yildiz não tem dúvidas de que prosperará.
“Acho que ela se encaixa perfeitamente”, diz Yildiz. “Ela é brilhante, mas o brilho por si só não é suficiente. Ela é persistente, resiliente. Você realmente precisa disso.”