Sperimentiamo L’ingegneria Elettronica

Si tratta di un laboratorio di Misure Elettriche ed Elettroniche, in cui si impara come misurare le 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 e acquisirete familiarità con essi. Se non ne avete mai avuto la possibilità, imparerete ad utilizzare un oscilloscopio, un generatore di forme d’onda, un alimentatore e un multimetro! L’attività riguarderà la realizzazione e la caratterizzazione di un amplificatore di segnale per le cuffie con connettore jack, posto in uscita al vostro smartphone. Ovviamente, a conclusione del modulo (oltre alla caratterizzazione metrologica dell’amplificatore) ci sarà il test più importante, quello delle vostre orecchie!

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.

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.

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.

Negli ultimi anni lo sviluppo dei sensori ha conosciuto un’evoluzione significativa, grazie ai progressi nella microelettronica, nei materiali e nelle tecniche di acquisizione dati. Sensori sempre più compatti, precisi ed economici trovano oggi applicazioni in settori che spaziano dall’industria all’ambiente, fino alla ricerca scientifica e alla didattica. Tra questi, i sensori per la misura della velocità dell’aria occupano un ruolo centrale nello studio dei flussi e nella caratterizzazione dei sistemi di ventilazione. In questa esperienza di laboratorio, gli studenti potranno cimentarsi nella realizzazione di un anemometro a filo caldo, un dispositivo che sfrutta la variazione di resistenza elettrica di un filo metallico riscaldato e attraversato dal flusso d’aria. Dopo aver realizzato il circuito di misura, si verificherà l’aderenza del prototipo con il modello teorico e si misurerà la variazione del segnale di misura al variare della velocità del vento. Questa attività permette di collegare in modo concreto principi di termodinamica, trasferimento di calore ed elettronica, sviluppando al contempo capacità pratiche e di analisi sperimentale