Concursul InnovateFPGA 2021: proiectanții creativi ne arată cum să abordăm sustenabilitatea

Nu știu care este părerea voastră, dar eu sunt din ce în ce mai îngrijorat de viitorul nostru colectiv. În zilele noastre auzim des termenul „sustenabilitate”, dar ce înseamnă de fapt? Ei bine, un mod de a privi lucrurile este că sustenabilitatea se referă la capacitatea oamenilor și a biosferei Pământului de a coexista. În Viitorul nostru comun, cunoscut și sub numele de Raportul Brundtland, care a fost publicat de Organizația Națiunilor Unite în octombrie 1987, sustenabilitatea a fost definită într-un mod oarecum tulburător ca „...satisfacerea nevoilor generației actuale fără a compromite capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile lor nevoi.”

Capacitatea noastră de a atinge sustenabilitatea este pusă la încercare de creșterea populației și de utilizarea ineficientă a resurselor disponibile. Ca o recunoaștere a acestui fapt, tema pentru Concursul de proiectare InnovateFPGA 2021-22 – lansat de Terasic, în colaborare cu Intel, Analog Devices Inc. (ADI) și Microsoft – este „Conectarea prin edge computing pentru un viitor sustenabil (Aplicarea tehnologiei pentru a aborda provocările globale).”

Scopul concursului este de a inspira și de a crea soluții sustenabile care să reducă impactul nostru asupra mediului. Să aruncăm o privire asupra câtorva dintre idei: cu siguranță vă vor face să vă gândiți la ceea ce puteți face și dvs.

Lupta dintre populație și resurse

Unul dintre lucrurile care afectează în mod negativ sustenabilitatea este numărul de oameni de pe planetă. Luați în considerare faimoasele Piramide din Giza, de exemplu, care au fost construite între 2550 și 2490 î.Hr. Asta înseamnă acum 4.500 de ani, în momentul în care scriu aceste cuvinte. În acele vremuri, pe planetă existau doar aproximativ 20 de milioane de oameni. Prin comparație, la momentul redactării acestui articol, se estimează că suntem 7,9 miliarde de oameni, iar acest număr se estimează că va crește la 8,5 miliarde până în 2030¹, 9,2 miliarde până în 2040² și aproape 10 miliarde până în 2050³.

Pe de altă parte, unul dintre lucrurile care pot influența în mod pozitiv sustenabilitatea este capacitatea noastră de a concepe și de a pune în aplicare soluții sociale și tehnologice la problemele noastre.

Iubesc science fiction și science fantasy. Când eram tânăr, la sfârșitul anilor '60 și începutul anilor '70, îmi amintesc că am citit romanul științifico-fantastic The Rolling Stones din 1952 (publicat în Marea Britanie și sub numele Space Family Stone) al autorului american de science-fiction, inginer aeronautic și ofițer de marină Robert Anson Heinlein. În această poveste, familia Stone, care locuiește pe lună, cumpără și reconstruiește o navă spațială uzată și pleacă într-un tur de vizitare a sistemului solar. În cadrul acestei călătorii, ei vizitează centura de asteroizi, unde are loc echivalentul goanei după aur din California (1848-1855), în care minerii de pe asteroizi caută diverse materiale, inclusiv minereuri radioactive.

Deși multora li se poate părea ceva ce încă e subiect de science-fiction, este interesant de remarcat că, recent, în 2017, Colorado School of Mines a lansat un program de studii universitare multidisciplinare care oferă un certificat post-bacalaureat, un masterat în științe și un doctoratîn domeniul exploatării miniere a asteroizilor (ei îl denumesc „resurse spațiale”, dar nu păcălesc pe nimeni – știm la ce se referă).

Problema este că Pământul este un sistem închis. Există o cantitate limitată de materiale disponibile. Ceea ce avem astăzi este ceea ce vom avea mâine și poimâine. Chiar dacă se vorbește serios despre extragerea de materii prime (de exemplu, fier, nichel, iridiu, paladiu, platină, aur, magneziu și, eventual, apă) de pe lună, de pe obiecte apropiate de Pământ și de pe asteroizi, se estimează că, în realitate, acest lucru va avea loc cel puțin în 20 de ani. Chiar și atunci când se va întâmpla, costul în termeni de energie, timp și resurse pentru readucerea acestor materiale pe Pământ înseamnă că vor fi aduse în cantități minuscule raportat la ansamblul lucrurilor care vor urma, pentru mulți ani de acum înainte. Concluzia este că nu ne putem aștepta să primim cantități semnificative de materii prime suplimentare în viitorul apropiat, așa că este de datoria noastră să folosim cât mai bine ceea ce avem.

Schimbarea cursului: Concursul de proiectare InnovateFPGA 2021-22

Inspirați de problemele și nevoile identificate de organizații precum Programul de granturi mici al Fondului Global de Mediu (GEF), care este implementat de Fondul Națiunilor Unite pentru dezvoltare (UNDF), toate cele de mai sus ne conduc la Concursul de proiectare InnovateFPGA (Figura 1).

Figura 1: unul dintre lucrurile care pot influența în mod pozitiv sustenabilitatea este capacitatea noastră de a concepe și de a implementa soluții sociale și tehnologice pentru problemele noastre. (Sursa imaginii: DigiKey)

Răspunzând provocării sustenabilității, Terasic, Intel, ADI și Microsoft au lansat actualul Concurs de proiectare InnovateFPGA 2021-22, care pune accentul pe utilizarea inteligentă a FPGA-urilor din sistemele edge computing în vederea reducerii cererii de resurse de pe Pământ.

FPGA-urile sunt deosebit de utile pentru această aplicație, deoarece sunt atât flexibile, cât și reconfigurabile. De asemenea, multe dintre proiectele din acest concurs se bazează pe utilizarea unor algoritmi sofisticați, cum ar fi inteligența artificială (AI) și vederea automatizată (MV), care necesită cantități mari de putere de calcul. Structura programabilă a unui FPGA poate fi configurată pentru a implementa operațiuni în paralel în masă, permițând astfel realizarea de algoritmi cu putere mare de calcul la nivel local, în timp real, consumând relativ puțină energie.

Concurenții au fost invitați să se înscrie în echipe formate din una până la trei persoane din aceeași zonă geografică. Aceste echipe au fost invitate să utilizeze un kit P0685 DE10-Nano FPGA pentru conectivitate cloud de la Terasic, care se bazează pe combinația dintre extrem de popularul kit P0496 DE10-Nano și o placă secundară P0499 RFS (Figura 2).

DE10 Nano se bazează pe un Intel Cyclone V SE FPGA, completat de 1 gigaoctet (Gbyte) de DDR3 SDRAM, un conector de expansiune Arduino (compatibil cu Uno R3), ieșire HDMI Full HD, UART-la-USB, un port USB On-the-Go (OTG), o mufă pentru carduri Micro SD, Gigabit Ethernet și conectori GPIO. Sistemul pe cip (SoC) FPGA Cyclone V are o combinație de material programabil (110.000 de elemente logice (LE)) și nuclee de procesor dual Arm® Cortex®-A9 pe 32 de biți.

Figura 2: kitul FPGA pentru conectivitate în cloud combină caracteristicile bogate și versatilitatea unui FPGA Intel Cyclone V SoC cu avantajele conectivității în cloud. Senzorii suplimentari pot fi conectați prin intermediul conectorilor compatibili Arduino sau al conectorului ADI QuikEval. (Sursa imaginii: Terasic)

Între timp, placa secundară RFS adaugă comunicațiile Wi-Fi și Bluetooth, precum și o gamă largă de senzori, cum ar fi un accelerometru cu nouă axe, un giroscop și un magnetometru, precum și senzori de lumină ambientală, temperatură și umiditate.

Desigur, oricât de puternic ar fi, kitul de conectivitate în cloud DE10-Nano FPGA are folosință limitată de unul singur. „Niciun om nu este o insulă”, după cum a scris celebrul poet englez John Donne în secolul XVII, ceea ce înseamnă că nimeni nu este cu adevărat autosuficient și că toată lumea trebuie să se bazeze pe compania și confortul celorlalți pentru a prospera. În acest caz, este posibil să fie necesară dotarea cu senzori suplimentari a kitului de conectivitate în cloud DE10-Nano FPGA; de asemenea, este posibil să fie necesar ca acesta să comunice cu cloud-ul.

Astfel, pentru a susține Concursul de proiectare InnovateFPGA 2021-22, aceste kituri vor fi furnizate gratuit echipelor participante selectate, împreună cu o cantitate mică de plăci plug-in de la Analog Devices și credite/acces pe termen limitat la serviciile cloud Microsoft Azure.

Analog Devices are un portofoliu extins de plăci de evaluare și proiecte de referință pentru a-i ajuta pe dezvoltatori să rezolve provocările aplicațiilor la nivel de sistem. Exemplele includ EVAL-CN0398-ARDZ (măsurarea umidității, pH-ului și temperaturii solului), EVAL-CN0397-ARDZ (detectarea luminii pe trei canale pentru agricultură inteligentă) și DC1338B (monitor de temperatură, curent și tensiune I²C). Aceste plăci pot fi conectate la DE10 Nano prin intermediul conectorilor săi compatibili Arduino sau al conectorului ADI QuikEval.

Forma sustenabilității: o mostră din cele 261 de proiecte înscrise

Bineînțeles, nu am putut rezista tentației de a face o plimbare printre multitudinea de proiecte prezentate. Vorbim despre 261 de proiecte care acoperă o gamă extraordinară de domenii de aplicare, așa că, dacă vă decideți să aruncați o privire, ar fi bine să vă luați ceva de băut și o gustare, deoarece veți fi prins destul de mult timp.

Refacerea recifului de corali și colectarea automată a gunoaielor: exemple de proiecte care mi-au atras imediat atenția au fost EM043, care propune un sistem inteligent de livrare microbiană subacvatică cu învățare în profunzime pentru refacerea habitatului recifului de corali (Figura 3) și AS034, un coș de gunoi inteligent care va putea identifica și clasifica obiectele pentru a determina ce poate fi sau nu poate fi reciclat.

Figura 3: proiectul EM043 este un sistem de refacere a habitatului recifului de corali care va putea furniza probiotice pentru corali și va monitoriza eficacitatea acestora. Livrarea va fi reglată cu precizie de o rețea cu învățare profundă care monitorizează schimbările de culoare ale coralilor. (Sursa imaginii: InnovateFPGA)

Proiectul EM043 se concentrează pe inversarea fenomenului de albire a recifelor de corali cauzat de schimbările de temperatură care au ca rezultat expulzarea de către recif a algelor care trăiesc în țesuturile sale. Algele sunt cele care nu numai că dau culoarea, dar și permit coralului să realizeze fotosinteza necesară pentru a se menține în viață și pentru a susține ecosistemul.

Există diverse microorganisme benefice pentru corali (BMC) care pot încetini sau chiar opri procesul de albire, dar identificarea acestora și a combinației potrivite trebuie realizată prin prototipuri și teste îndelungate prin edge computing. Proiectul EM043 combină kitul de conectivitate în cloud cu un router mobil 4G, un panou solar, o cameră foto, un senzor de temperatură, un senzor de nivel și algoritmi de învățare profundă pentru a efectua analiza și pentru a regla livrarea BMC cu ajutorul unui modul specializat (Figura 4).

Figura 4: proiectul EM043 combină analiza prin învățare profundă cu senzori, energie solară, un router 4G și un mecanism de livrare BMC, cu DE10 ca platformă centrală de procesare. (Sursa imaginii: InnovateFPGA)

Cloud-ul Microsoft Azure este conectat cu ajutorul router-ului 4G și pentru a controla de la distanță sistemul de livrare și a monitoriza vizual starea coralilor.

Sistemul, așa cum a fost propus, permite cercetătorilor marini să efectueze experimente de monitorizare precise și fiabile privind eficacitatea BMC în reducerea efectului de albire, contribuind astfel la un impact semnificativ asupra refacerii ecosistemului recifului de corali.

Eliminarea CO₂ organic: un alt proiect care îmi place pentru simplitatea și scalabilitatea sa este EM003. Acesta prezintă o plantă de apartament specială, numită „planta care se roagă” (maranta leuconeura), o plantă tropicală cu creștere lentă, originară din America de Sud. Diferite studii și experimente au demonstrat capacitatea acestei plante de a absorbi foarte eficient gazele cu efect de seră în comparație cu alte plante de interior similare. De fapt, creatorii proiectului spun că doar una dintre aceste plante poate reduce cantitatea de CO₂ dintr-o singură cameră cu 14,40% într-o perioadă de 24 de ore.

Ideea din spatele acestui proiect este de a constrânge plantele care se roagă să absoarbă cantitatea maximă de CO₂ posibilă. Acest lucru va fi realizat prin înregistrarea datelor senzoriale (temperatură, umiditate, lumină ambientală, umiditate a solului) în cloud, prin experimentarea cu ciclul de irigare și prin analiza rezultatelor. Scopul final este ca milioane de oameni să folosească aceste plante și să colecteze și să analizeze date de la cât mai mulți. Pe lângă kitul de conectivitate în cloud DE10-Nano FPGA, acest proiect utilizează un senzor de umiditate a solului și o pompă de apă cu un mecanism de acționare de curent continuu (Figura 5).

Figura 5: în proiectul EM003, toate datele senzoriale sunt preprocesate de FPGA, care controlează și ciclul de irigare a plantei; datele procesate sunt apoi trimise în cloud pentru a fi combinate cu datele de la alte plante în vederea analizei. (Sursa imaginii: (InnovateFPGA)

Dronă pentru analiza stresului hidric în agricultură: nu știu despre voi, dar eu am o slăbiciune pentru tot ceea ce are legătură cu dronele, așa că un alt proiect care a necesitat o investigare a fost AP008, care prezintă o dronă numită „Agri-Bird” ce ajută la detectarea stresului hidric în mediul agricol (Figura 6). Această echipă are sediul în Islamabad, Pakistan.

Potrivit echipei, agricultura utilizează aproximativ 90% din rezervele de apă ale Pakistanului. Dacă lucrurile continuă pe calea actuală, resursele de apă ale țării ar putea fi epuizate până în 2040. Pentru a evita acest lucru și pentru a oferi soluții pentru agricultorul obișnuit, proiectul AP008 propune utilizarea unei combinații de date meteorologice, date provenite de la senzorii de la sol și date aeriene colectate de o dronă, pentru a crea un model de predicție a stresului hidric.

Figura 6: utilizând datele colectate de la o dronă împreună cu date din alte surse, modelul de stres hidric rezultat poate fi utilizat pentru a preveni (a) pierderea de recoltă din cauza deficitului de apă, (b) pierderea substanțelor nutritive din sol din cauza udării excesive, (c) reglarea necorespunzătoare a irigațiilor și (d) incendiile de vegetație. (Sursa imaginii: InnovateFPGA)

Eliminarea deșeurilor de plastic: aș putea continua, dar un proiect final care mă interesează personal este AP080, ce implică un mic robot inteligent care se deplasează pe străzile orașului, identificând și adunând deșeuri de plastic pentru a le recicla. Acest lucru este foarte important pentru că văd deșeuri de plastic oriunde mă duc în zilele noastre (Figura 7).

Figura 7: nu va trebui să fie așa dacă proiectul AP080 va da viață robotului său inteligent. Deși acest proiect este inițial orientat spre străzile din oraș, el – sau alte proiecte de acest fel – ar putea fi capabil să reducă flagelul deșeurilor de plastic. (Sursă imagine: The Nature Conservatory)

Când eram copil și mergeam cu părinții în vacanță, după o zi pe plajă, regula noastră de familie era să lăsăm totul mai curat decât am găsit. Acest lucru ne-a implicat să adunăm nu numai deșeurile noastre, ci și orice alte gunoaie pe care le vedeam în apropiere. Mă îngrozesc atunci când văd oameni care aruncă gunoiul în timp ce merg sau îl aruncă pe geamul mașinii. Acest tip de persoană va fi greu de convins să se oprească, dar comportamentul său ar fi atenuat dacă am avea roboți precum cei propuși de acest proiect, care să facă curățenie în spatele lor.

Ceea ce este înfricoșător este că, oricât de interesante și diverse ar fi exemplele de proiecte prezentate aici, este doar o parte infimă dintre toate posibilitățile prezentate de înscrierile la acest concurs. Simpla parcurgere a proiectelor a fost suficientă să mă facă să mă minunez constant și să tot fac pauze pentru a afla mai multe. De fapt, mă întorc din nou să fac asta imediat ce termin de scris articolul de față.

Concluzie

Toate înscrierile la Concursul de proiectare InnovateFPGA 2021-22 sunt aici. În prezent, echipele lucrează intens la proiectele lor, cu gândul la finalele regionale, care vor avea loc în martie 2022, și la marea finală, programată pentru iunie 2022. Nu știu ce părere aveți voi, dar eu, unul, abia aștept să văd rezultatele acestei provocări oportune și provocatoare.