USP desenvolve software que promete evitar quedas de árvores e salvar vidas

As águas de março dão adeus a mais um verão caótico em São Paulo. Só na tempestade do último dia 12, pelo menos 330 árvores caíram na cidade. 

Um taxista morreu após o táxi em que ele estava ser atingido por uma queda de árvore, na rua Senador Queiroz, no centro histórico, na região da Sé.

Naquele dia, a ventania também derrubou um chichá nativo da Mata Atlântica com mais de 200 anos caiu sobre o Largo do Arouche.

Cupins, fungos, podas erradas, a escolha de espécies inadequadas para calçadas estreitas e o estrangulamento das raízes pelo concreto são as principais causas desses incidentes, que colocam a vida e o patrimônio dos paulistanos em risco, além de provocar quedas constantes no fornecimento de energia elétrica.

Os transtornos são tantos que cientistas da USP acabam de desenvolver um software capaz de fazer o escaneamento e produzir imagens tridimensionais das árvores, orientando com precisão as podas e reduzindo o risco de quedas.

Com isso, o algoritmo otimiza as podas e a saúde das árvores dos mais de 650 mil elementos de 637 espécies que compõem a floresta urbana.

O software conta com equipamentos a laser e foi desenvolvido por pesquisadores do Instituto de Estudos Avançados (IEA-USP), do Instituto de Biociências (IB-USP) e da Escola Politécnica (Poli-USP). O trabalho une biologia, matemática e mecatrônica.

Segundo os cientistas, o primeiro passo é fazer um escaneamento a laser das árvores para captar em pontos diferentes imagens tridimensionais colocadas em um modelo computacional.

Para fazer a modelagem, o grupo desenvolveu uma combinação de software e chegou a um “algoritmo de poda”, com o objetivo de manter o equilíbrio da árvore.

O trabalho foi desenvolvido no âmbito do Centro de Pesquisa e Inovação em Gases de Efeito (RCGI), um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado (Fapesp), em parceria empresas privadas e voltado a estudos em bioenergia, agricultura e ciências ambientais para mitigar efeitos das mudanças climáticas.

“As árvores, assim como outras formas na natureza, são estruturas que utilizam apenas o material essencial em sua configuração física. Se você faz uma poda errada, pode provocar fraqueza nessa estrutura. Com o software que desenvolvemos, conseguimos avaliar as deformações, até mesmo a deflexão das árvores devido aos ventos. Com isso, é possível ter um diagnóstico e orientar a poda de forma mais precisa”, explica Emílio Carlos Nelli Silva, professor do Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos da USP e vice-diretor científico do RCGI, em entrevista à Agência Fapesp de Notícias.

Pesquisa prática na USP

Nas primeiras análises, realizadas no campus da USP, em São Paulo, os pesquisadores fizeram uma poda de até 20% da copa com base no algoritmo e conseguiram manter o equilíbrio da árvore. Em outro ensaio, com outro tipo de corte, houve aumento dos pontos de fraqueza, com mais possibilidade de queda.

Normalmente, a poda em área urbana é realizada em um plano de manejo ambiental dos municípios para compatibilizar a estrutura do vegetal ao convívio humano, com foco na saúde da árvore, mantendo sua resiliência e equilíbrio.

A definição de como será a poda em cada árvore é feita por técnicos ou profissional responsável pelo serviço, no limite de 30% da copa.

“O ser humano não tem a capacidade de fazer essa poda tão precisa como conseguimos usando o escaneamento com algoritmo. Ainda não calculamos o porcentual que o software é capaz de evitar de queda de árvores com a poda mais precisa, mas conseguiremos em breve”, salienta Marcos Buckeridge, professor do Departamento de Botânica do IB-USP e vice-diretor do IEA.

“Cânions urbanos”

“Essa ferramenta vem de uma sequência de trabalhos, que agora conta também com a equipe da engenharia. O próximo passo é uma aproximação com a meteorologia para estudar a velocidade e o direcionamento dos ventos em tempestades. Isso nos ajudará a detectar o lado mais fraco da copa ou se a árvore está em uma área de canalização de vento. Assim, poderemos melhorar a poda e evitar plantio em locais de vento mais forte”, completa Buckeridge.

Pesquisa publicada em 2024 mostrou que as podas drásticas, juntamente com o estado da madeira e o estrangulamento da raiz pelas calçadas, podem indicar a queda futura de árvores em cidades.

Entre os principais fatores em áreas urbanas que influenciam a queda estão a altura dos prédios no entorno, a idade do bairro, a largura da calçada e a altura da árvore.

Com a verticalização, elas enfrentam condições desfavoráveis nos chamados “cânions urbanos”, ou seja, fileiras contínuas de edifícios altos que alteram a velocidade do vento local, a dispersão da poluição e os padrões de iluminação e microclima, contribuindo com a queda precoce.

Maçã de Isaac Newton e Lei da Gravidade inspiraram a pesquisa

O professor Emílio Carlos Nelli Silva conta que a ideia do software surgiu durante um almoço com o pesquisador Marcos Buckeridge em um restaurante de São Paulo.

O local abriga em seu interior uma centenária Figueira-de-bengala (Ficus benghalensis), cujo plantio é estimado na década de 1890. Do gênero Ficus, ela tem altura de cerca de 6 metros, com diâmetro da copa de aproximadamente 46 metros.

“Sabia que o Buckeridge trabalhava com essa linha de estudo e eu sempre tive curiosidade sobre as árvores, com estruturas complexas e difíceis de modelar em computador. Então pensamos: por que não usar um algoritmo para restaurar a otimização dessas estruturas por meio da repoda? Foi aí a inspiração da pesquisa”, relembra o professor, especialista em mecânica computacional.

Nelli Silva explica que a natureza frequentemente inspira estudos de otimização estrutural e frutos como a maçã podem servir de modelo para análises.

“O formato da maçã possui a menor tensão mecânica sujeita a peso próprio. Ela tem uma massa apoiada em um ponto que é o caule. Partimos da ideia de que, se é possível analisar a estrutura otimizada da maçã, seria também com a árvore.”

Na ciência, uma história famosa envolvendo o fruto e que até hoje rende pesquisas e dúvidas é a do físico inglês Isaac Newton, que teria concebido a Lei da Gravitação Universal ao observar a queda de uma maçã de sua árvore.

Próximos passos 

Ao fazer a modelagem a partir das imagens obtidas pelo equipamento a laser, é possível chegar a uma espécie de “arquitetura” da árvore – etapa que contou com a colaboração do professor da USP Marcelo Zuffo, um dos pesquisadores do projeto “CID-SP Emergências: Centro de Inteligência de Dados em Saúde Pública”, apoiado pela Fapesp.

Nessa primeira etapa, as análises foram realizadas pela copa. O grupo pretende agora inserir informações das raízes.

“A metodologia abre uma perspectiva para fazermos novas simulações computacionais, customizadas para cada espécie. O método é escalável para mapear árvores de uma cidade toda”, conta Nelli Silva.

Prefeitura e startups 

De acordo com Buckeridge, algumas prefeituras, entre elas a de São Paulo, já procuraram o grupo para viabilizar o uso do software.

“Estamos conectando a ciência ao desenvolvimento da tecnologia para enfrentarmos as mudanças climáticas. Queremos aumentar a velocidade de análise do software e reduzir o custo. Isso abre caminho para startups que queiram ajudar no serviço. Quanto mais árvores tivermos, melhor será a resiliência das cidades às mudanças climáticas”, completa o vice-diretor do IEA.

A Secretaria do Verde e do Meio Ambiente (SVMA) da Prefeitura de São Paulo informou à Agência Fapesp estar “em tratativas para conhecer o software e avaliar sua aplicabilidade nos serviços de manejo arbóreo da cidade” no compromisso com a adoção de tecnologias que aprimorem a gestão ambiental.

A secretaria disse ainda que analisará de que forma a ferramenta pode contribuir com a poda preventiva e a redução do risco de queda de árvores, especialmente durante temporais.