Sperimentiamo L’ingegneria Elettronica

Ogni attività sperimentale richiede la capacità di misurare delle grandezze fisiche. Nella prima giornata del vostro percorso laboratoriale alla scoperta dell’Ingegneria Elettronica, conoscerete quali sono i principali strumenti che utilizza l’ingegnere elettronico, oltre a prendere familiarità con le grandezze fisiche di maggiore interesse in questo ambito. Se non ne avete mai avuto la possibilità, imparerete ad utilizzare un oscilloscopio, un generatore di forme d’onda, un alimentatore e un multimetro! Oltre a questo, seppure per i nuovi smartphone sarà un po’ datato, imparerete a realizzare un semplice amplificatore di segnale per le cuffie con connettore jack!

A dispetto del loro nome che fa pensare a qualcosa di incomprensibile e lontano dalla realtà, le onde elettromagnetiche sono “cose” che usiamo tutti i giorni: quando navighiamo in internet o parliamo con il telefono cellulare, quando ascoltiamo la radio o guardiamo la televisione, quando ci connettiamo via internet ad un server all’altro capo del mondo, quando apriamo il cancello di casa con il telecomando, persino quando scaldiamo una pietanza nel microonde… In questa attività realizzerete un collegamento radio e con quello riuscirete a misurare la velocità della luce! Successivamente, userete le onde elettromagnetiche per realizzare un radar, ed imparerete addirittura come si nasconde un oggetto allo stesso radar! Infine, imparerete che un “tubicino di vetro” può guidare la luce, e proverete ad inviare dei “bit” attraverso un sistema di telecomunicazioni in fibra ottica.

I droni rappresentano una delle innovazioni tecnologiche più rivoluzionarie di questi ultimi anni. Le applicazioni sono innumerevoli: video, rilievi fotografici aerei, ispezione di infrastrutture, trasporto di oggetti e di persone, interventi di soccorso, spettacoli con sciami di droni o singoli droni in volo acrobatico, gare, ecc. Dal punto di vista tecnico, i droni contengono numerosi elementi di pertinenza dell’ingegneria elettronica e uno di questi (probabilmente il principale) è rappresentato dal software. Tutto il sistema di controllo del volo di un drone si basa su programmi che ne regolano in tempo reale non solo l’assetto, ma anche la risposta ai comandi e, nel volo autonomo, le traiettorie e i percorsi delle missioni! Nel corso dell’attività di laboratorio proposta verrà illustrata la struttura del software di alcune tra le più diffuse tipologie di droni e si effettueranno configurazioni e modifiche dei relativi programmi. Dopo che questi saranno stati caricati sul drone proverete il funzionamento tramite reali prove di volo nelle quali potrete vedere come il software interagisce con i due principali sistemi di pilotaggio: radiocomando e “ground station” (cioè computer di controllo a terra).

Tutti noi, chi più approfonditamente e chi meno, utilizziamo i calcolatori elettronici nelle loro più svariate forme, dai Personal Computer agli Smart Phone. Non tutti però sanno come questi funzionino. E ancora meno di noi sanno come evolveranno, sia dal punto di vista della loro struttura sia per quanto riguarda il loro utilizzo. Lo stato dell'arte del settore è sostenuto, ancora oggi e da decenni, dalle tecnologie del silicio e dei semiconduttori in generale. Queste tecnologie, in grado oggi di renderci disponibili microprocessori costituiti di centinaia di miliardi di transistori, stanno continuando a procedere secondo consolidate linee di evoluzione. Ma come è strutturato un moderno microprocessore al suo interno? Come riesce a fornirci potenze di elaborazione così elevate? Più di recente si è iniziato a sentire spesso citate le Reti Neurali Artificiali come uno degli strumenti per l’Intelligenza Artificiale, con l'aspettativa che queste reti, non così recenti quanto si possa credere, siano in futuro in grado di consentirci la soluzione di problemi che, diversamente, non sarebbero affrontabili con strumenti algoritmici convenzionali. Ma cosa sono veramente le Reti Neurali Artificiali? Sono veramente simili a quelle biologiche, ovvero al nostro cervello, e sono altrettanto potenti e affidabili?

Infine, forse ci si è anche imbattuti in qualche articolo giornalistico sui Computer Quantistici che, si dice, rivoluzioneranno le modalità di calcolo che noi tutti utiliziamo per elaborare le informazioni nella direzione di un ulteriore aumento delle prestazioni. Ma anche in questo caso, cosa sono veramente i Computer Quantistici? Sono così lontani dalla nostra comprensione attuale, tanto da rimanere relegati allo studio di pochissimi esperti al mondo? Sono veramente così difficili da costruire quanto si vocifera? E saranno veramente in grado di soppiantare in toto l'elaborazione così come oggi la conosciamo?

In questo minicorso si cercherà di dare risposte quantitative – per quanto possibile – a tutte queste domande e di scoprire se questi oggetti tecnologici - Microprocessori, Reti Neurali Artificiali e Computer Quantistici - sono davvero così distanti dalla nostra comprensione per quanto attiene ai loro meccanismi essenziali di funzionamento o se è possibile diradare l'alone di mistero che li circonda e comprendere che, nella sostanza, questi meccanismi sono in realtà ben più semplici e comprensibili di quanto non si creda.

Nella nostra quotidianità siamo circondati da computer, ovvero da sistemi artificiali che elaborano informazioni deducendone risultati e suggerendo decisioni. Questo non avviene soltanto nei computer propriamente detti (computer portatili o computer da tavolo), ma avviene continuamente in tutti i dispositivi portatili (cellulari, tablet), nelle automobili (o nei treni e aerei) e anche nelle nostre abitazioni (smart homes). Le memorie e le unità di calcolo vengono realizzate dagli ingegneri elettronici sfruttando la tecnologia dei semiconduttori, e il progresso dei sistemi di calcolo osservato negli ultimi decenni è in buona parte dovuto alla miniaturizzazione della nanoelettronica. Allo stato attuale nuovi paradigmi computazionali si stanno affermando e plasmeranno i computer del futuro. Fra questi abbiamo il cosiddetto neuromorphic computing, che è un paradigma computazionale ispirato all’organizzazione del cervello. La nanoelettronica è oggi in grado di sintetizzare sinapsi e neuroni artificiali e quindi di realizzare neuromorphic computers, che si ritiene possano ridurre di un fattore 100 o 1000 il consumo di energia dei computer tradizionali! Nell’attività di laboratorio introdurremo i principi di funzionamento di una rete neurale ispirata ai sistemi biologici e le principali differenze rispetto ai computer tradizionali. Potremo poi realizzare in software un sistema di neuromorphic computing per il riconoscimento di semplici immagini!

L’Internet che tutti conosciamo potrebbe evolversi in una rete che coinvolge alcuni oggetti di cui siamo circondati se dotati di intelligenza, sensori e connessione. Le applicazioni di questa evoluzione della rete vanno dalla protezione civile all’intrattenimento. Il principale ostacolo a questo sviluppo è l’approvvigionamento energetico: un oggetto idealmente deve essere in grado di “sopravvivere” nell’ambiente in cui si trova senza richiedere l’intervento di operatori per la sostituzione o ricarica delle batterie. Nell’ambito di questa attività sarete guidati nell’analisi di questi sistemi e sperimenterete delle soluzioni per l’alimentazione di sensori e sistemi che rappresentano la base hardware dell’IoT.

Apprendere a “controllare un sistema” è una delle grandi sfide dell’elettronica, e acquisire le competenze per farlo è un tratto distintivo degli ingegneri elettronici. Le applicazioni della “teoria del controlli” sono innumerevoli ed estremamente attuali: i sistemi di guida autonoma, la regolazione dei processi industriali o chimici, i sistemi di puntamento, ma anche l’analisi e la predizione dei sistemi finanziari, l’intelligenza artificale, ecc. Nell’attività proposta apprenderete i principi di funzionamento di un sensore ultrasonico e realizzerete un sistema di controllo del moto di un robot, costituito da sensori ed attuatori realizzati in modo da evitare collisioni del robot in presenza di ostacoli!

La meccanica quantistica è la teoria fisica che descrive il comportamento della materia e della radiazione, inclusa la loro interazione, con particolare riguardo ai fenomeni su scala atomica e subatomica, dove le teorie classiche risultano incapaci di descrivere correttamente quel che succede in natura. Nel cuore della materia, infatti, c’è un mondo immenso, composto da miliardi e miliardi di particelle, che sfugge ai nostri sensi e alla nostra intuizione. Un mondo in cui non valgono le leggi fisiche usuali, ma appunto quelle più complicate e “misteriose” della meccanica quantistica, una teoria così paradossale da stupire gli stessi scienziati che l’hanno inventata. Eppure questa teoria funziona, essendo capace di descrivere il mondo degli atomi e delle molecole con precisione incredibile, ed ha moltissime applicazioni, dai laser alla risonanza magnetica. In questo breve corso vi verrà fornito un breve excursus storico e l’introduzione dei concetti principali, dando poi spazio alla descrizione di alcune delle tante applicazioni della meccanica quantistica, tecnologie già presenti nella nostra vita quotidiana, o che faranno parte del nostro futuro.

I sistemi di conversione dell’energia elettrica rappresentano oggi una tematica di elevato interesse e diffusione in tantissime delle applicazioni: dalla robotica/meccatronica, alla mobilità elettrica, ai sistemi industriali e domestici, alla generazione di energia elettrica. La vita di ognuno di noi è “circondata” da sistemi di conversione dell’energia, anche se spesso non ci pensiamo e/o non ce ne rendiamo conto. La conversione dell’energia può avvenire dalla forma elettrica alla forma elettrica e viceversa (si parla in questo caso di convertitori elettronici di potenza), e dalla forma elettrica alla forma meccanica e viceversa (si parla in questo caso di motori e/o generatori elettrici). Durante l’attività laboratoriale, vi verrà fornita una breve introduzione sulla teoria che è necessario studiare/conoscere per poter comprendere il funzionamento di un motore elettrico e di un convertitore elettronico di potenza, per poi effettuare alcune misurazioni sperimentali (rilievo della coppia, della corrente, delle tensioni, etc.) durante il funzionamento su un banco prova dedicato. Durante l’esperienza verranno messe in evidenza anche alcune caratteristiche e prestazioni che una moderna applicazione di trazione elettrica richiede, e come queste possano essere soddisfatte attraverso un’opportuna scelta e/o progettazione dei tre elementi utilizzati per realizzarla: il motore elettrico, il convertitore elettronico di potenza e il sistema di controllo.

Tutti i giorni siamo sommersi da una quantità di dati come immagini, video, musica, voce. Tutti questi dati ci arrivano sotto forma di bit, trasmessi attraverso le reti di comunicazione, via radio o con la fibra o il cavo. Anche quando usiamo la fotocamera del nostro telefono, ci ritroviamo con una bella immagine o un video che vengono memorizzati con molti bit. Se ci pensiamo, usando una recente fotocamera con 12 Megapixel (12.000.000 pixel!), e rappresentando ciascun pixel con 8 bit (256 livelli) per ciascuno dei tre colori Rosso, Verde e Blu, con 35 foto occuperemmo più di un Gigabyte! Situazione ancora più drammatica per un video ripreso a 60 immagini (frame) al secondo… Fortunatamente, esistono procedure (algoritmi) che permettono di COMPRIMERE immagini e video, ovvero di rappresentare i dati con un numero ridotto di bit mantenendo un’ottima qualità. Nel corso dell’attività di laboratorio, vi saranno mostrati i principi su cui si basa la compressione dati, per le immagini (vedendo nel dettaglio il più diffuso degli schemi di compressione, JPEG) ma anche per video e voce. Potremo realizzare un sistema di compressione semplificato, e vedere in tempo reale gli effetti del nostro progetto, sia per le immagini che per musica e voce.

Si presentano - inquadrandole nell'attuale problema della crisi energetica - le attività di ricerca e sviluppo di apparati innovativi in corso nel laboratorio sulle fonti di energia rinnovabile del DPIA. Un nuovo specchio a concentrazione solare ed un compatto e potente gassificatore per biomasse di scarto sono la rivisitazione - basata sull'applicazione di principi della fisica e pronta per l'inserimento nell' IOT - di ben conosciuti dispositivi.