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Nuovi materiali per la fotonica per l’IA.
Luigi Campanella, già Presidente SCI
Sempre più spesso si sente affermare che il futuro prossimo è un mondo nel quale intelligenze artificiali e realtà si integreranno ai fini di una migliore qualità della vita.Il settore dell’IA e in forte sviluppo nel mondo, ma anche in Italia nel 2020, pure nelle difficoltà da Covid 19, ha segnato una crescita del 15% per un valore pari a 300 milioni di euro.
La differenza sta nelle applicazioni: all’estero il settore è già visto come un surrogato a tutte le attività umane, mentre in Italia trova impiego soprattutto per le funzioni di assistenza vocale nelle richieste telefoniche e per aiutare gli utenti nella navigazione suo siti di e-commercio.
Il problema più grande che si trova oggi davanti il settore sta nella precisione degli algoritmi utilizzati, tanto che gli errori non sono così rari. Per migliorare la situazione la strada è solo una: fornire più dati. Più dati vuol dire più efficienza, ma anche significa insegnare alle macchine (e quindi alle aziende che le posseggono) tutto di noi, della nostra vita, del nostro modo di pensare. Replicare il ragionamento umano, come da molti si aspira a realizzare, significa perciò superare gli accettabili limiti di privacy e riservatezza:e questo è il problema numero 1 dello sviluppo dell’IA: e forse è un bene perchè alcuni drammarici errori dell’IA (si pensi all’auto mobile Tesla a guida automatica) ci fanno capire che delegare certi compiti che richiedono una umana dose di buon senso può essere prematuro.
Le intelligenze artificiali scambiano enormi quantità di dati e per fare questo richiedono reti ultraveloci che consumano energia in misura crescente con il loro diffondersi: si pensi che dal 2017 al 2019 i modelli di rete neurale prevedevano 100 milioni di variabili ed oggi ne prevedono un miliardo e che è stato valutato al 10% dell’utilizzo mondiale di elettricità l’energia consumata dai Data Center, i sistemi dotati di intelligenza artificiale.Per progettare ed addestrare una rete neurale a trovare la soluzione si produce CO2 in quantita circa 5 volte maggiore a quella emessa in tutta la sua vita da un autovettura e circa 50 volte superiore a quella emessa in un anno da un essere umano. La componene più rilevante si riferisce all’energia spesa per il raffreddamento dei sistemi di calcolo. Un altro aspetto riguarda l’impatto ambientale:questi processori potenti richiedono minerali rari estratti da miniere con conseguente distruzione del territorio e poi alla fine del loro vita sono smaltiti nell’ambiente costituendo un rischio al degrado.
Alla Sapienza di Roma un gruppo di ricerca guidato dal fisico Claudio Conti ha elaborato un sistema a favore della sostenibilità dell’intelligenza artificiale. Tale sistema si basa sulla fotonica in luogo dell’elettronica. La fotonica,nata negli anni 70, impiega raggi laser per tante applicazioni,dalla medicina alla matematica.Per alcuni anni i suoi costi elevati non la rendevano vantaggiosa rispetto alla elettronica,ma oggi non è più cosi:un raggio luminoso,in particolari i fotoni che lo costituiscono, sostituisce la corrente elettrica per elaborare e veicolare le informazioni, ad esempio un’immagine, codificate attraverso un modulatore di luce. La macchina fotonica può, analogamente a quanto avviene per l’elettronica, essere addestrata all’intelligenza artificiale (machine learning). I vantaggi principali del nuovo processore fotonico rispetto all’elettronico sono la superiore capacità elaborativa di informazioni in quanto i laser possono intrecciarsi e sovrapporsi senza interferenza di segnale e nel fatto che il fascio laser,al contrario della corrente,non scalda sprecando così energia: si valuta un’efficienza energetica superiore del processore fotonico rispetto a quello elettronico di circa 10mila volte. Infine se il raggio laser viene fatto propagare in aria non è necessario costruire una scheda di contenimento con un ulteriore vantaggio di semplificazione. Di fatto siamo dinnanzi ad una superintelligenza artificiale che non inquina. Una delle integrazioni più applicate dell’IA avviene con i sensori. Quando si parla di sensori si pensa sempre a dispositivi di carattere analitico finalizzati a monitorare ambiente,alimenti,organismi viventi. Oggi però integrati con l’intelligenza artificiale hanno trovato applicazioni nella riabilitazione di persone colpite da malattie neuromotorie con prospettive di sviluppo in campi correlati come lo sport e la mobilità sostenibile, una volta che i costi saranno abbattuti e la miniaturizzazione avrà fatto i passi in avanti che oggi promette.
Un altro gruppo di Ricerca di Sapienza sta lavorando ad una innovazione nella elettromiografia oggi basata su elettrodi commerciali e caratterizzata da costi elevati ( circa 10000 euro),ma purtroppo non personalizzabile per rispondere alla variabilità delle conformazioni muscolari. L’innovazione consiste in sensori realizzati con la stampa a getto di inchiostro utilizzando una comune stampante nella quale le cartucce sono state invece caricate , anziché con l’inchiostro tradizionale, con inchiostro a nanoparticelle di argento. I sensori sono stampabili su carte flessibili in plastica commerciali personalizzabili in base alle esigenze dell’utente usando software molto comuni ed in ogni scheda ne possono essere montati fino ad 8.
https://www.uniroma1.it/en/notizia/printable-sensors-patient-oriented-approach
La matrice di sensori viene collegata al computer mediante un componente elettronico commerciale che in futuro sarà miniaturizzato. Anche per i materiali dei sensori ci sono state innovazioni: rispetto a quanto usato tradizionalmente oggi (grafene, nanofili di argento e nanotubi di carbonio): l’inchiostro a nanoparticelle di argento infatti ne supera i limiti di conduttività, riproducibilità, stabilità e costi (200 euro in tutto,stampante compresa).
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Claudio Della Volpe
Il mio primo incontro con l’idea che vi racconto oggi fu da studente quando sentii parlare di questo lavoro che vi cito adesso:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0038092X75900626
Vittorio Silvestrini
Vittorio Silvestrini un fisico, ma insegnò anche al Politecnico di Napoli (che è il più antico d’Italia, 4 marzo 1811), una poliedrica personalità come spesso la mia città sa produrre: scienziato e politico, fondatore di Città della scienza di Napoli, di cui ha presieduto il consiglio d’amministrazione. Nel 2006 ha ricevuto il Premio “Descartes” per la comunicazione scientifica diventando di fatto l’unico italiano ad aver vinto tale premio.
L’idea di questo lavoro, il raffreddamento passivo è stato uno dei concetti che più mi hanno colpito nella mia vita; allora ero un giovane studente e mi occupavo di altro, ma ci ho pensato spesso. Il dipartimento di Fisica era ancora a via Tari e noi chimici a via Mezzocannone, altri tempi. Silvestrini ed i suoi collaboratori realizzarono un semplice radiatore passivo stendendo un sottile strato (pochi micron) di polivinilfluoruro (Tedlar) su una lastra di alluminio con ottimi risultati.
L’idea di Silvestrini e collaboratori è semplice ed efficace: siamo circondati da scambi radiativi importantissimi ma tendiamo a sottovalutarne il ruolo perché non li vediamo; ma esistono. La temperatura del nostro corpo è assicurata in effetti proprio da questi scambi radiativi, ne abbiamo parlato in dettaglio qui per esempio, parlando di entropia del corpo umano, ma difficilmente ce ne rendiamo conto.
Possiamo bloccarli per conservare il calore, ma possiamo anche facilitarli per ridurre la temperatura delle cose. Semplice e potente, come tutte le grandi idee.
Possiamo anche intendere queste cose pensando che come il riscaldamento globale è causato da un aggravamento dell’effetto serra noi possiamo usando meccanismi analoghi rovesciare l’effetto dei medesimi scambi radiativi: è come fare la lotta giapponese con la radiazione, rovesciarne l’effetto usando ed assecondando i suoi punti di forza.
Da allora sono passati oltre 45 anni e questa idea ha fatto proseliti e si è sviluppata; esistono vernici termoriflettenti per esempio ma ci sono anche molti interessanti sviluppi recenti, due dei quali vi racconto oggi.
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.1c02368
Il primo è l’uso di un comune materiale inorganico opportunamente tarato; il gruppo diretto da Xiulin Ruan alla Purdue University scrive:In questo lavoro, dimostriamo sperimentalmente le notevoli prestazioni di raffreddamento sotto la temperatura ambiente per l’intera giornata sia con le nanoparticelle di un film di BaSO4 che con vernici nanocomposite di BaSO4. BaSO4 ha un elevato gap di banda degli elettroni e una risonanza fononica a 9 μm con una notevole emissività verso lo spazio. Con una dimensione delle particelle appropriata e un’ampia dimensione di distribuzione, il film di nanoparticelle BaSO4 raggiunge una riflettanza solare ultraelevata del 97,6% e un’emissività della finestra del cielo elevata di 0,96. Durante i test sul campo, il film BaSO4 rimane più di 4,5°C al di sotto della
temperatura ambiente o raggiunge una potenza di raffreddamento media di 117 W/m2. La vernice acrilica di BaSO4 è sviluppata con una concentrazione in volume del 60% per migliorare l’affidabilità nelle applicazioni esterne, raggiungendo una riflettanza solare del 98,1% e un’emissività della finestra del cielo di 0,95. I test sul campo indicano prestazioni di raffreddamento simili a quelle del film di BaSO4.
Come si vede siamo ad una performance circa tre volte superiore a quella del film proposto da Silvestrini 45 anni fa, un bel progresso con un materiale semplice ma anche una conferma della geniale idea del fisico napoletano e del suo gruppo di ricerca.
L’altra ricerca è ancora più interessante dato che riguarda addirittura i tessuti per i vestiti, ma con lo stesso scopo, una sorta di condizionamento personale. In questo secondo caso i colleghi cinesi, del laboratorio di Optoelettronica di Wuhan (proprio la città del virus), scrivono:L'integrazione di strutture di raffreddamento radiativo passive nelle tecnologie di gestione termica personale potrebbe difendere efficacemente gli esseri umani dall'intensificarsi del cambiamento climatico globale. Mostriamo che i “metatessuti” tessuti su larga scala possono fornire alta emissività (94,5%) nella finestra atmosferica e alta riflettività (92,4%) nello spettro solare a causa del design gerarchico-morfologico degli scatterer dispersi casualmente in tutto il metatessuto. Attraverso percorsi di produzione tessile industriale scalabili, i nostri metatessuti mostrano resistenza meccanica, impermeabilità e traspirabilità desiderabili per l'abbigliamento commerciale, pur mantenendo un'efficiente capacità di raffreddamento radiativo. Test pratici di applicazione hanno dimostrato che un corpo umano coperto dal nostro metatessuto potrebbe essere raffreddato a ~4.8°C in meno rispetto a uno ricoperto da un tessuto di cotone commerciale. L'economicità e le elevate prestazioni dei nostri metatessuti presentano vantaggi sostanziali per indumenti intelligenti, tessuti intelligenti e applicazioni di raffreddamento radiativo passivo. Mi rimane solo da ricordare cosa sia un metatessuto o più in generale un metamateriale:
Un metamateriale è un materiale creato artificialmente con proprietà elettromagnetiche peculiari che lo differenziano dagli altri materiali. Le sue caratteristiche macroscopiche non dipendono solo dalla sua struttura molecolare, ma anche dalla sua geometria realizzativa. In altri termini, un metamateriale guadagna le sue proprietà dalla sua struttura oltre che direttamente dalla sua composizione chimica. Il termine fu coniato nel 1999 da Rodger M. Walser dell’Università del Texas ad Austin. Egli definì i metamateriali come:
Compositi macroscopici aventi una architettura tridimensionale cellulare periodica e sintetica progettata per produrre una combinazione ottimizzata, non disponibile in natura, di due o più risposte a una specifica sollecitazione.
Nel nostro caso si tratta di fibre di polimero, acido polilattico addizionate di particelle di politetrafluoroetilene (teflon) e di particelle di biossido di titanio. La combinazione delle loro proprietà di diffusione e di assorbimento della luce dovute sia alla composizione che alla dimensione conduce alle caratteristiche finali.
Si tenga presente che una combinazione di materiali del genere serve a trattenere come a evitare l’ingresso del calore e dunque costituisce un metodo principe per il condizionamento degli edifici e dei corpi umani senza spesa energetica se si esclude quella dovuta alla produzione e messa in opera dei manufatti usati
Possiamo vantarci di avere avuto grandi maestri; facciamone tesoro perché senza questo il futuro sarà ancora più difficile.