Concorso InnovateFPGA 2021: designer creativi ci mostrano come affrontare la sostenibilità

Non so voi, ma io sono sempre più preoccupato per il nostro futuro collettivo. Sentiamo spesso il termine "sostenibilità" in questi giorni, ma cosa significa veramente? Beh, un modo di vedere la cosa è che la sostenibilità si riferisce alla capacità degli esseri umani e della biosfera terrestre di coesistere. In Our Common Future, noto anche come il Rapporto Brundtland, pubblicato dalle Nazioni Unite nell'ottobre 1987, la sostenibilità è stata definita in modo piuttosto toccante come "...soddisfare i bisogni della generazione presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i loro bisogni".

La nostra capacità di raggiungere la sostenibilità è sfidata dalla crescita della popolazione e dall'uso inefficiente delle risorse disponibili. In riconoscimento a ciò, il tema del concorso di progettazione InnovateFPGA 2021-22 lanciato da Terasic, in collaborazione con Intel, Analog Devices Inc. (ADI) e Microsoft, è incentrato sul collegamento dell'edge per un futuro sostenibile (applicando la tecnologia che risolve le sfide globali.

L'obiettivo del concorso è quello di ispirare e creare soluzioni sostenibili che riducano il nostro impatto ambientale. Diamo un'occhiata ad alcune delle idee: sicuramente vi faranno pensare a quello che si può fare.

La battaglia della popolazione per le risorse

Una delle cose che influisce negativamente sulla sostenibilità è il numero di persone sul pianeta. Considerate le famose Piramidi di Giza, ad esempio, che sono state costruite tra il 2550 e il 2490 a.C. circa, cioè solo 4.500 anni fa, mentre scrivo queste parole. In quei giorni, erano solo circa 20 milioni le persone sul pianeta. In confronto, al momento in cui scriviamo, si stima che siamo 7,9 miliardi, e si prevede che questo numero salirà a 8,5 miliardi nel 2030¹, 9,2 miliardi nel 2040² e quasi 10 miliardi nel 2050³.

Una delle cose che possono influenzare positivamente la sostenibilità è la nostra capacità di concepire e implementare soluzioni sociali e tecnologiche ai nostri problemi.

Amo la fantascienza e il fantasy. Da giovane, tra la fine degli anni '60 e l'inizio degli anni '70, ricordo di aver letto il romanzo di fantascienza del 1952 The Rolling Stones (pubblicato anche con il nome di Space Family Stone nel Regno Unito) dell'autore americano di fantascienza, ingegnere aeronautico e ufficiale navale Robert Anson Heinlein. In questo racconto, la famiglia Stone, che risiede sulla Luna, acquista e ricostruisce un'astronave usata e fa un giro turistico intorno al sistema solare. Durante il viaggio, visitano la fascia degli asteroidi dove è in corso l'equivalente della corsa all'oro della California (1848-1855), con minatori di asteroidi che cercano vari materiali, compresi quelli radioattivi.

Anche se questo può sembrare fantascienza per molti, è interessante notare che, recentemente nel 2017, la Colorado School of Mines ha lanciato un programma di laurea multidisciplinare che offre un certificato post-baccalaureato, un Master of Science e un Ph.D. nell'estrazione di asteroidi (la chiamano "Risorse spaziali", ma non ingannano nessuno, sappiamo cosa intendono).

Il problema è che la Terra è un sistema chiuso. C'è una quantità limitata di materiale disponibile. Quello che abbiamo oggi è quello che avremo domani e dopodomani. Anche se si parla seriamente di estrarre materie prime (come ferro, nichel, iridio, palladio, platino, oro, magnesio e, forse, acqua) dalla Luna, dagli oggetti vicini alla Terra e dagli asteroidi, si stima che lo si farà tra almeno 20 anni. Anche quando questo accadrà, il costo in termini di energia, tempo e risorse per restituire questi materiali alla Terra significa che le loro quantità saranno minuscole nell'ottica dei molti anni a venire. In sostanza, non possiamo aspettarci di ricevere quantità significative di materie prime aggiuntive nel prossimo futuro, quindi è opportuno fare il miglior uso di ciò che abbiamo.

Invertire la tendenza: il concorso di progettazione InnovateFPGA 2021-22

Ispirato dalle questioni e dai bisogni identificati da organizzazioni come il Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program, che è implementato dal Fondo di Sviluppo delle Nazioni Unite (UNDF), tutto ciò ci porta al concorso di progettazione InnovateFPGA (Figura 1).

Figura 1: Una delle cose che possono influenzare positivamente la sostenibilità è la nostra capacità di concepire e implementare soluzioni sociali e tecnologiche ai nostri problemi. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Rispondendo alla sfida della sostenibilità, Terasic, Intel, ADI e Microsoft hanno lanciato l'attuale concorso di progettazione InnovateFPGA 2021-22, che enfatizza l'uso intelligente degli FPGA all'edge per ridurre la domanda di risorse dalla Terra.

Gli FPGA sono particolarmente utili per questa applicazione, perché sono flessibili e riconfigurabili. Inoltre, molti dei progetti in questo concorso si basano sull'uso di algoritmi sofisticati come l'intelligenza artificiale (IA) e la visione artificiale (MV), che richiedono grandi quantità di calcolo. Il tessuto programmabile di un FPGA può essere configurato per implementare le operazioni in modo massicciamente parallelo, permettendo così di eseguire localmente algoritmi ad alta intensità di calcolo in tempo reale, consumando relativamente poca energia.

I concorrenti sono stati invitati a registrarsi come squadre composte da una a tre persone situate nella stessa area geografica. Queste squadre sono state invitate a utilizzare un kit di connettività cloud FPGA P0685 DE10-Nano di Terasic, basato sulla combinazione del popolarissimo kit P0496 DE10-Nano e una scheda figlia P0499 RFS (Figura 2).

Il kit DE10 Nano è basato su un FPGA Intel Cyclone V SE aumentato da 1 GB di DDR3 SDRAM, una basetta di espansione Arduino (compatibile con Uno R3), uscita HDMI full-HD, UART-USB, una porta USB On-the-Go (OTG), una presa per schede Micro SD, Gigabit Ethernet e basette GPIO. L'FPGA System-on-Chip (SoC) Cyclone V presenta la combinazione di tessuto programmabile (110.000 elementi logici) e due core di processore Arm® Cortex®-A9 a 32 bit.

Figura 2: Il kit di connettività cloud FPGA combina le ricche caratteristiche e la versatilità di un FPGA SoC Intel Cyclone V con i vantaggi della connettività cloud. Altri sensori possono essere collegati per mezzo delle basette compatibili con Arduino o la basetta QuikEval di ADI. (Immagine per gentile concessione di Terasic)

Nel frattempo, la scheda figlia RFS aggiunge la comunicazione Wi-Fi e Bluetooth, così come una vasta gamma di sensori come un accelerometro a nove assi, un giroscopio e un magnetometro, insieme a sensori di luce ambiente, temperatura e umidità.

Naturalmente, per quanto sia potente, il kit di connettività cloud FPGA DE10-Nano da solo è di uso limitato. "Nessun uomo è un'isola", come scrisse notoriamente il poeta inglese John Donne nel XVII secolo, nel senso che nessuno è veramente autosufficiente e tutti devono fare affidamento sulla compagnia e sul comfort degli altri per prosperare. In questo caso, il kit di connettività cloud FPGA DE10-Nano potrebbe aver bisogno di essere potenziato da sensori aggiuntivi; inoltre, potrebbe aver bisogno di comunicare con il cloud.

Quindi, per sostenere il concorso di progettazione InnovateFPGA 2021-22, questi kit saranno forniti a squadre partecipanti selezionate senza alcun costo, insieme a una piccola quantità di schede plug-in di Analog Devices e crediti/accesso a tempo limitato ai servizi cloud Azure di Microsoft.

Analog Devices ha un ampio portafoglio di schede di valutazione e progetti di riferimento per aiutare a risolvere le sfide applicative degli sviluppatori a livello di sistema. Alcuni esempi sono EVAL-CN0398-ARDZ (misurazione dell'umidità del suolo, del pH e della temperatura), EVAL-CN0397-ARDZ (rilevamento della luce a tre canali per l'agricoltura intelligente) e DC1338B (monitor di temperatura, corrente e tensione I²C). Queste schede possono essere collegate al kit DE10 Nano per mezzo delle sue basette compatibili con Arduino o la basetta QuikEval di ADI.

La forma della sostenibilità: un campione delle 261 voci di progetto

Naturalmente, non ho potuto resistere a fare una carrellata dei progetti presentati. Stiamo parlando di 261 progetti su un'enorme gamma di aree applicative, quindi se decidete di dare un'occhiata da soli, vi consiglio di portare qualcosa da bere e uno spuntino perché sarete felicemente impegnati per un bel po'.

Recupero della barriera corallina e raccolta automatizzata dei rifiuti: esempi di progetti che hanno immediatamente attirato la mia attenzione sono EM043, che propone un sistema subacqueo di apprendimento profondo, di consegna microbica intelligente per il recupero dell'habitat della barriera corallina (Figura 3) e AS034, un bidone della spazzatura intelligente capace di identificare e classificare gli oggetti per determinare cosa può e non può essere riciclato.

Figura 3: Il progetto EM043 è un sistema di recupero dell'habitat della barriera corallina che sarà in grado di fornire probiotici ai coralli e monitorare la loro efficacia. La consegna sarà regolata con precisione da una rete di apprendimento profondo che monitora i cambiamenti di colore dei coralli. (Immagine per gentile concessione di InnovateFPGA)

Il progetto EM043 si concentra sull'inversione dello sbiancamento delle barriere coralline causato dai cambiamenti di temperatura che portano le barriere ad espellere le alghe che vivono nei suoi tessuti. Sono le alghe che non solo forniscono la colorazione, ma permettono anche al corallo di eseguire la fotosintesi necessaria per mantenerlo in vita e sostenere l'ecosistema.

Ci sono vari microrganismi benefici per i coralli (BMC) che possono rallentare se non addirittura arrestare il processo di sbiancamento, ma quali siano e in che mix giusto può essere stabilito solo attraverso lunghi prototipi e test sull'edge. Il progetto EM043 combina il kit di connettività cloud con un router 4G mobile, un pannello solare, una telecamera, un sensore di temperatura, un sensore di livello e algoritmi di apprendimento profondo per analizzare e regolare la consegna del BMC utilizzando un modulo specializzato (Figura 4).

Figura 4: Il progetto EM043 combina l'analisi di apprendimento profondo con sensori, energia solare, un router 4G e un meccanismo di consegna BMC, con DE10 come piattaforma di elaborazione centrale. (Immagine per gentile concessione di InnovateFPGA)

Il cloud di Microsoft Azure è collegato utilizzando il router 4G e per controllare a distanza il sistema di consegna e monitorare visivamente le condizioni del corallo.

Il sistema, come proposto, permette ai ricercatori marini di condurre esperimenti di monitoraggio precisi e affidabili sull'efficacia dei BMC nel ridurre l'effetto di sbiancamento, contribuendo così in modo significativo al ripristino dell'ecosistema della barriera corallina.

Rimozione organica di CO₂: un altro progetto che mi piace per la sua semplicità e scalabilità è EM003. Presenta una pianta d'appartamento speciale chiamata pianta della preghiera (maranta leuconeura), una pianta tropicale a bassa crescita originaria del Sudamerica. Diversi studi ed esperimenti hanno dimostrato la capacità di questa pianta di assorbire i gas serra in modo molto efficiente rispetto a piante da interni simili. Infatti, i creatori del progetto notano che una sola di queste piante può diminuire la quantità di CO₂ in una singola stanza del 14,40% nell'arco di 24 ore.

L'idea alla base di questo progetto è di costringere le piante da preghiera ad assorbire la massima quantità di CO₂ possibile. Questo avverrà registrando i dati sensoriali (temperatura, umidità, luce ambiente, umidità del suolo) nel cloud, sperimentando il ciclo di irrigazione e analizzando i risultati. L'obiettivo finale è quello di avere milioni di persone che usano questi impianti e di raccogliere e analizzare i dati dal maggior numero possibile. Oltre al kit di connettività cloud FPGA DE10-Nano, questo progetto impiega un sensore di umidità del suolo e una pompa d'acqua con un attuatore c.c. (Figura 5).

Figura 5: Nel progetto EM003, tutti i dati sensoriali sono pre-elaborati dall'FPGA, che controlla anche il ciclo di irrigazione della pianta; i dati elaborati vengono poi inviati al cloud per essere combinati con i dati di altre piante a scopo di analisi. (Immagine per gentile concessione di InnovateFPGA)

Drone per l'analisi dello stress idrico in agricoltura: non so voi, ma io ho un debole per tutto ciò che ha a che fare con i droni, quindi un altro progetto che richiedeva attenzione è stato AP008, che presenta un drone chiamato "Agri-Bird" che aiuta a rilevare lo stress idrico in ambienti agricoli (Figura 6). Questo team proviene da Islamabad, Pakistan.

Secondo il team, l'agricoltura utilizza circa il 90% delle risorse idriche del Pakistan. Continuando sulla strada attuale, le risorse idriche del paese potrebbero essere esaurite entro il 2040. Per evitare tutto ciò e fornire soluzioni per l'agricoltore medio, il progetto AP008 propone di utilizzare la combinazione di dati meteorologici, dati da sensori a terra e dati aerei raccolti da un drone per creare un modello di previsione dello stress idrico.

Figura 6: Utilizzando i dati raccolti da un drone insieme ai dati provenienti da altre fonti, il modello di stress idrico risultante può essere utilizzato per prevenire (a) la perdita di prodotti a causa del deficit idrico, (b) la perdita di nutrienti del suolo a causa di un'eccessiva irrigazione, (c) una cattiva regolazione dell'irrigazione e (d) gli incendi. (Immagine per gentile concessione di InnovateFPGA)

Come sbarazzarsi dei rifiuti di plastica: potrei continuare, ma un ultimo progetto di interesse personale per me è AP080, che coinvolge un piccolo robot intelligente che circola per le strade della città individuando e raccogliendo rifiuti di plastica per il riciclaggio. Questo ha colpito davvero nel segno, perché vedo rifiuti di plastica ovunque in questi giorni (Figura 7).

Figura 7: Non dovrà essere così se il progetto AP080 darà vita al suo robot intelligente. Mentre questo progetto è inizialmente orientato verso le strade della città, esso - o altri progetti simili - potrebbe alla fine essere in grado di alleviare la piaga dei rifiuti di plastica. (Immagine per gentile concessione di The Nature Conservatory)

Quando ero bambino e i miei genitori mi portavano in vacanza, dopo una giornata in spiaggia la nostra regola di famiglia era di lasciare tutto più pulito di come lo avevamo trovato. Questo comportava la raccolta non solo dei nostri rifiuti, ma anche di qualsiasi altra spazzatura nelle vicinanze. Rabbrividisco quando vedo la gente scartare casualmente l'immondizia facendola cadere mentre cammina o gettandola dai finestrini dell'auto. Sarà difficile convincere queste persone a smettere, ma il loro comportamento sarebbe controbilanciato dai robot come quelli proposti da questo progetto, che puliscono per chi non lo fa da sé.

La cosa spaventosa è che, per quanto interessanti e diversi siano i progetti di esempio presentati qui, non abbiamo nemmeno scalfito la superficie di tutte le possibilità presentate dalle proposte di questo concorso. Solo l'esame ad alto livello dei progetti mi ha fatto esclamare costantemente "Ooh, ahh!", e fermarmi per fare uno sguardo più attento. Infatti, ci tornerò di nuovo non appena avrò finito di scrivere questa rubrica.

Conclusione

Sono arrivate tutte le iscrizioni al concorso di progettazione InnovateFPGA 2021-22. Le squadre stanno ora lavorando furiosamente ai loro progetti con gli occhi puntati sulle finali regionali, che avranno luogo nel marzo 2022 e sulla finale prevista per giugno 2022. Non so voi, ma io non vedo l'ora di vedere i risultati di questa sfida tempestiva e stimolante.