Konkurs InnovateFPGA 2021: kreatywni projektanci pokazują nam, jak radzić sobie ze zrównoważonym rozwojem

Nie wiem jak wy, ale ja coraz bardziej martwię się o naszą wspólną przyszłość. Ostatnio często słyszymy termin „zrównoważony rozwój”, ale co to właściwie oznacza? Cóż, jeden ze sposobów patrzenia na to polega na tym, że zrównoważony rozwój odnosi się do zdolności człowieka i biosfery Ziemi do współistnienia. W publikacji Nasza wspólna przyszłość, znanej również jako Raport Brundtlanda, która została opublikowany przez Organizację Narodów Zjednoczonych w październiku 1987 r., zrównoważony rozwój został w dość wzruszający sposób zdefiniowany jako „...zaspokojenie potrzeb obecnego pokolenia bez narażania zdolności przyszłych pokoleń do spełniania ich potrzeb”.

Nasza zdolność do osiągnięcia zrównoważonego rozwoju jest zagrożona wzrostem liczby ludności i nieefektywnym wykorzystaniem dostępnych zasobów. Dostrzegając ten problem, firma Terasic, we współpracy z firmami Intel, Analog Devices Inc. (ADI) i Microsoft, zorganizowała konkurs projektowania InnovateFPGA 2021-22, którego tematem przewodnim jest „Podłączanie urządzeń brzegowych do sieci z myślą o zrównoważonej przyszłości (zastosowanie technologii w celu sprostania globalnym wyzwaniom)”.

Celem konkursu jest inspirowanie i tworzenie zrównoważonych rozwiązań, które zmniejszają nasz wpływ na środowisko. Przyjrzyjmy się niektórym pomysłom: z pewnością sprawią, że zastanowisz się nad tym, co Ty możesz zrobić.

Bitwa ludzi z zasobami

Jedną z rzeczy, które negatywnie wpływają na zrównoważony rozwój, jest liczba ludzi na planecie. Weźmy na przykład słynne piramidy w Gizie, które zostały zbudowane mniej więcej pomiędzy 2550 i 2490 rokiem p.n.e. To zaledwie około 4500 lat wstecz od momentu, w którym piszę te słowa. W tamtych czasach na planecie było tylko około 20 milionów ludzi. Dla porównania, w chwili pisania tego tekstu szacuje się, że jest nas 7,9 mld, a do 2030 roku liczba ta ma wzrosnąć do 8,5 mld¹, 9,2 mld do 2040² i prawie 10 mld do 2050 r.³.

Z drugiej strony, jedną z rzeczy, które mogą pozytywnie wpłynąć na zrównoważony rozwój, jest nasza zdolność do tworzenia oraz wdrażania społecznych i technologicznych rozwiązań naszych problemów.

Uwielbiam science fiction i science fantasy. Pamiętam, że jako młody chłopak pod koniec lat 60. i na początku lat 70. czytałem powieść science fiction z 1952 r. zatytułowaną „The Rolling Stones” (publikowaną również pod tytułem „Space Family Stone” w Wielkiej Brytanii) autorstwa amerykańskiego pisarza science fiction, inżyniera lotnictwa i oficera marynarki Roberta Ansona Heinleina. W tej opowieści rodzina Stone mieszkająca na Księżycu kupuje i odbudowuje używany statek kosmiczny i wybiera się na wycieczkę krajoznawczą po Układzie Słonecznym. W jej czasie odwiedzają pas asteroid, gdzie trwa odpowiednik kalifornijskiej gorączki złota (1848-1855), a górnicy asteroid szukają różnych materiałów, w tym rud radioaktywnych.

Chociaż dla wielu ludzi może się to wydawać science fiction, warto zauważyć, że zaledwie w 2017 r. uczelnia Colorado School of Mines uruchomiła interdyscyplinarny program studiów magisterskich oferujący świadectwo ukończenia studiów podyplomowych, tytuł magistra i doktoraw górnictwie asteroid (nazywają to „zasobami kosmicznymi”, ale nikogo nie oszukają - wiemy, co mają na myśli).

Problem w tym, że Ziemia jest układem zamkniętym. Dostępna jest ograniczona ilość materiału. To, co mamy dzisiaj, jest tym, co będziemy mieć jutro i pojutrze. Chociaż mówi się poważnie o wydobywaniu surowców (np. żelaza, niklu, irydu, palladu, platyny, złota, magnezu i - być może - wody) z Księżyca, obiektów bliskich Ziemi i asteroid, szacuje się, że takie wydobycie rozpocznie się nie prędzej niż za 20 lat. Nawet jeśli tak się stanie, koszt w postaci energii, czasu i zasobów, wymagany aby przytransportować te materiały na Ziemię, oznacza, że ich ilość będzie ogólnie rzecz biorąc znikoma przez wiele nadchodzących lat. Najważniejsze jest to, że nie możemy oczekiwać, iż w dającej się przewidzieć przyszłości uzyskamy znaczne ilości dodatkowych surowców, więc wypada nam jak najlepiej wykorzystać to, co mamy.

Odwracając bieg wydarzeń: konkurs projektowania InnovateFPGA 2021-22

Problemy i potrzeby zidentyfikowane przez organizacje takie jak program małych grantów funduszu Global Environment Facility (GEF), który jest realizowany przez Fundusz Narodów Zjednoczonych ds. Rozwoju (UNDF), doprowadziły do stworzenia konkursu projektowania InnovateFPGA (ilustracja 1).

Ilustracja 1: jedną z rzeczy, które mogą pozytywnie wpłynąć na zrównoważony rozwój, jest nasza zdolność do tworzenia oraz wdrażania społecznych i technologicznych rozwiązań naszych problemów. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Stawiając czoła wyzwaniu zrównoważonego rozwoju, firmy Terasic, Intel, ADI i Microsoft wspólnie ogłosiły bieżącą edycję konkursu projektowania InnovateFPGA 2021-22, która kładzie nacisk na inteligentne wykorzystanie bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA) w urządzeniach brzegowych do zmniejszenia zapotrzebowania na zasoby Ziemi.

Bezpośrednio programowalne macierze bramek (FPGA) są szczególnie przydatne w tym zastosowaniu, ponieważ zapewniają zarówno elastyczność, jak i możliwość ponownej konfiguracji. Ponadto wiele projektów w tym konkursie opiera się na wykorzystaniu wyrafinowanych algorytmów, takich jak sztuczna inteligencja (AI) i widzenie maszynowe (MV), które wymagają ogromnych ilości obliczeń. Programowalną strukturę bezpośrednio programowalnych macierzy bramek (FPGA) można skonfigurować tak, aby realizowała operacje w sposób masowo równoległy, umożliwiając w ten sposób wykonywanie algorytmów wymagających dużych mocy obliczeniowych lokalnie w czasie rzeczywistym przy stosunkowo niewielkim zużyciu energii.

Uczestnicy konkursu zostali zaproszeni do rejestracji jako zespoły składające się z minimum jednej osoby i maksimum trzech osób pochodzących z tego samego obszaru geograficznego. Zespoły zostały poproszone o wykorzystanie zestawu łączności bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA) z chmurą P0685 DE10-Nano firmy Terasic, który opiera się na połączeniu niezwykle popularnego zestawu P0496 DE10-Nano i płytki podrzędnej P0499 RFS (ilustracja 2).

Zestaw DE10 Nano jest oparty na bezpośrednio programowalnej macierzy bramek Cyclone V SE firmy Intel, której towarzyszy 1GB pamięci DDR3 SDRAM, listwa rozszerzeń Arduino (zgodna z Uno R3), wyjście HDMI Full HD, adapter UART-USB, port USB (OTG), gniazdo kart Micro SD, listwy Gigabit Ethernet oraz GPIO. Bezpośrednio programowalna macierz bramek Cyclone V typu SoC łączy w sobie programowalną strukturę (110 000 elementów logicznych (LE)) i dwa 32-bitowe rdzenie procesorowe Arm® Cortex®-A9.

Ilustracja 2: zestaw łączności bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA) z chmurą łączy bogate funkcje i wszechstronność bezpośrednio programowalnej macierzy bramek (FPGA) układu SoC Intel Cyclone V z zaletami łączności w chmurze. Za pomocą listew kompatybilnych z Arduino lub listew ADI QuikEval można podłączyć dodatkowe czujniki. (Źródło ilustracji: Terasic)

Tymczasem płytka podrzędna RFS pozwala dodać komunikację Wi-Fi i Bluetooth, a także szeroką gamę czujników, takich jak dziewięcioosiowy przyspieszeniomierz, żyroskop i magnetometr, a także czujniki światła otoczenia, temperatury i wilgotności.

Wprawdzie zestaw łączności z chmurą bezpośrednio programowalnej macierzy bramek DE10-Nano charakteryzuje się dużymi możliwościami, jednak sam w sobie ma ograniczone zastosowanie. „Żaden człowiek nie jest samoistną wyspą”, jak napisał w XVII wieku angielski poeta John Donne. Oznacza to, że nikt nie jest naprawdę samowystarczalny i każdy musi polegać na wsparciu i wygodzie innych, aby prosperować. W tym przypadku zestaw DE10-Nano łączności bezpośrednio programowalnej macierzy bramek z chmurą może wymagać rozszerzenia o dodatkowe czujniki, a także komunikacji z chmurą.

W związku z tym, aby wesprzeć uczestników konkursu projektowania InnovateFPGA 2021-22, te zestawy zostaną dostarczone wybranym zespołom bezpłatnie, wraz z niewielką liczbą kart wtykowych firmy Analog Devices oraz kredytami na usługi chmurowe Microsoft Azure lub ograniczonym czasowo dostępem do tych usług.

Firma Analog Devices posiada bogate portfolio płytek ewaluacyjnych i projektów referencyjnych, które pomagają rozwiązywać problemy programistów na poziomie systemowym. Przykładami są EVAL-CN0398-ARDZ (pomiar wilgotności gleby, pH i temperatury), EVAL-CN0397-ARDZ (trzykanałowa detekcja światła dla inteligentnego rolnictwa) oraz DC1338B (monitorowanie temperatury, prądu i napięcia I²C). Płytki te można podłączyć do zestawu DE10 Nano za pomocą listew kompatybilnych z Arduino lub listwy ADI QuikEval.

Kształt zrównoważonego rozwoju: próbka z 261 zgłoszonych projektów

Oczywiście nie mogłem się oprzeć pokusie przejrzenia tak licznych zgłoszeń projektów. Mówimy o 261 projektach, które obejmują szerokie spektrum obszarów zastosowań, więc jeśli zdecydujesz się je przejrzeć, proponuję zaopatrzyć się w coś do picia i przekąski, bo ta przyjemna rozrywka pochłonie Cię na dłuższą chwilę.

Rekultywacja raf koralowych i automatyczne zbieranie śmieci: przykładowe projekty, które od razu wpadły mi w oko to EM043, który proponuje podwodny, inteligentny system głębokiego uczenia się służący do dostarczania drobnoustrojów celem rekultywacji środowisk rafy koralowej (ilustracja 3), a także AS034 - inteligentny kosz na śmieci, który będzie w stanie identyfikować i klasyfikować przedmioty, aby określić, co można, a czego nie można poddać recyklingowi.

Ilustracja 3: projekt EM043 to system rekultywacji środowisk raf koralowych, który będzie w stanie dostarczać probiotyki koralowe i monitorować ich skuteczność. Dostawa będzie precyzyjnie regulowana przez sieć głębokiego uczenia się, która monitoruje zmiany koloru koralowców. (Źródło ilustracji: InnovateFPGA)

Projekt EM043 koncentruje się na odwróceniu procesu bielenia raf koralowych spowodowanego zmianami temperatury, które powodują wypieranie z raf glonów żyjących w ich tkankach. To właśnie glony nie tylko zapewniają kolor, ale także umożliwiają koralowcom prowadzenie fotosyntezy niezbędnej do utrzymania się przy życiu i podtrzymania ekosystemu.

Istnieją różne mikroorganizmy pożyteczne dla koralowców (BMC), które mogą spowolnić, a nawet zatrzymać proces bielenia. Takie mikroorganizmy lub ich odpowiednią mieszankę trzeba jednak zidentyfikować w drodze długiego prototypowania i testowania z wykorzystaniem urządzeń brzegowych. Projekt EM043 zakłada połączenie zestawu łączności z chmurą z mobilnym routerem 4G, panelem słonecznym, kamerą, czujnikiem temperatury, czujnikiem poziomu i algorytmami głębokiego uczenia w celu przeprowadzenia analizy i regulacji dostarczania mikroorganizmów BMC za pomocą specjalistycznego modułu (ilustracja 4).

Ilustracja 4: projekt EM043 łączy w sobie analizę z wykorzystaniem głębokiego uczenia się, czujniki, energię słoneczną, router 4G i mechanizm dostarczania mikroorganizmów BMC. Zestaw DE10 pełni tutaj rolę centralnej platformy przetwarzania. (Źródło ilustracji: InnovateFPGA)

Urządzenie łączy się z chmurą Microsoft Azure za pośrednictwem routera 4G , co umożliwia zdalne sterowanie systemem podawania mikroorganizmów BMC i wizualnego monitorowania stanu koralowców.

Proponowany system umożliwia badaczom morskim prowadzenie precyzyjnych i wiarygodnych eksperymentów monitorujących skuteczność mikroorganizmów BMC w ograniczaniu efektu bielenia, przyczyniając się w ten sposób do znaczącego wpływu na odbudowę ekosystemu rafy koralowej.

Organiczne usuwanie CO₂: kolejny projekt, który lubię ze względu na jego prostotę i skalowalność ma numer EM003. W ramach projektu przewidziano wykorzystanie specjalnej rośliny doniczkowej zwanej rośliną modlitewną (maranta leuconeura), która jest nisko rosnącą rośliną tropikalną pochodzącą z Ameryki Południowej. Różne badania i eksperymenty dowiodły zdolności tej rośliny do bardzo wydajnego pochłaniania gazów cieplarnianych w porównaniu z podobnymi roślinami doniczkowymi. Twórcy projektu zauważają, że zaledwie jedna taka roślina może w praktyce zmniejszyć ilość CO₂ w pomieszczeniu o 14,40% w ciągu doby.

Ideą tego projektu jest zmuszenie roślin modlitewnych do wchłonięcia maksymalnej możliwej ilości CO₂. Zostanie to zrealizowane w drodze rejestrowania danych sensorycznych (temperatura, wilgotność, światło otoczenia, wilgotność gleby) w chmurze, eksperymentowania z cyklem nawadniania oraz analizowania wyników. Ostatecznym celem jest, aby tych roślin używały miliony ludzi i przeanalizowanie danych od jak największej liczby z nich. Oprócz zestawu DE10-Nano łączności bezpośrednio programowalnej macierzy bramek z chmurą, omawiany projekt wykorzystuje czujnik wilgotności gleby i pompę wody z aktuatorem prądu stałego (ilustracja 5).

Ilustracja 5: w projekcie EM003 wszystkie dane pochodzące z czujników są wstępnie przetwarzane przez bezpośrednio programowalną macierz bramek (FPGA), która kontroluje również cykl nawadniania rośliny. Przetworzone dane są następnie przesyłane do chmury w celu połączenia z danymi z innych roślin, a następnie ich analizy. (Źródło ilustracji: (InnovateFPGA)

Dron do analizy stresu wodnego w rolnictwie: nie wiem jak wy, ale ja jestem fanatykiem wszystkiego, co ma związek z dronami. Dlatego kolejnym projektem, który zwrócił moją uwagę był AP008, w ramach którego dron o nazwie „Agri-Bird” pomaga wykrywać stres wodny w rolnictwie (ilustracja 6). Ten zespół ma siedzibę w Islamabadzie w Pakistanie.

Według zespołu rolnictwo zużywa około 90% zasobów wodnych Pakistanu. Jeśli trend ten się nie odwróci, zasoby wodne kraju mogą zostać wyczerpane do 2040 roku. Aby tego uniknąć i zapewnić rozwiązania dla przeciętnego rolnika, w ramach projektu AP008 zaproponowano wykorzystanie kombinacji danych meteorologicznych, danych z czujników naziemnych oraz danych lotniczych zebranych przez dron w celu stworzenia modelu prognozowania stresu wodnego.

Ilustracja 6: wykorzystując dane zebrane z drona w połączeniu z danymi z innych źródeł, uzyskany model stresu wodnego można użyć do zapobiegania (a) problemom w produkcji z powodu deficytu wody, (b) utracie składników odżywczych w glebie z powodu nadmiernego nawadniania, (c) słabej regulacji nawodnienia oraz (d) pożarom. (Źródło ilustracji: InnovateFPGA)

Pozbywanie się odpadów z tworzyw sztucznych: mógłbym pisać więcej, ale ostatnim projektem, który mnie osobiście zainteresował jest AP080, w ramach którego mały inteligentny robot podróżując po ulicach miasta, wyszukuje i zbierają odpady z tworzyw sztucznych do recyklingu. Ten projekt jest prawdziwym strzałem w dziesiątkę, ponieważ gdziekolwiek teraz nie spojrzę, wszędzie widzę odpady z tworzyw sztucznych (ilustracja 7).

Ilustracja 7: nie musi tak być, jeśli w ramach projektu AP080 powstanie planowany inteligentny robot. Chociaż ten projekt jest początkowo skierowany na ulice miast, to może on lub inne tego typu projekty finalnie przyczynić się do złagodzenia skutków plagi plastikowych odpadów. (Źródło ilustracji: The Nature Conservatory)

Kiedy byłem dzieckiem rodzice zabrali mnie na wakacje. Po dniu spędzonym na plaży naszą rodzinną zasadą było pozostawienie wszystkiego czystszego, niż zastaliśmy. Wiązało się to z zebraniem nie tylko własnych śmieci, ale także wszelkich innych, które znaleźliśmy w pobliżu. Wzdrygam się, gdy widzę, jak ludzie od niechcenia wyrzucają śmieci, upuszczając je podczas spaceru lub wyrzucając je przez szyby samochodów. Trudno będzie przekonać tego rodzaju osobę, aby zaniechała swojego postępowania, ale skutki takich zachowań dałoby się złagodzić, gdybyśmy mieli roboty sprzątające, takie jak te proponowane w omawianym projekcie.

Przerażające jest to, że pomimo tego, że przykładowe projekty prezentowane tutaj są ciekawe i różnorodne, stanowią one zaledwie czubek góry lodowej wszystkich możliwości, jakie dają zgłoszenia do tego konkursu. Samo przeglądanie tych projektów na wysokim poziomie sprawiało, że ciągle wykrzykiwałem „Niesamowite!” i zatrzymywałem się, by zagłębić się w temat. Właściwie, jak tylko skończę pisać ten artykuł, zaraz wracam do tych głębin.

Podsumowanie

Wszystkie zgłoszenia do konkursu projektowania InnovateFPGA 2021-22 zostały przyjęte. Zespoły pracują teraz intensywnie nad swoimi projektami, mając na uwadze finały regionalne, które odbędą się w marcu 2022 r., oraz wielki finał zaplanowany na czerwiec 2022 r. Nie wiem jak wy, ale ja nie mogę się doczekać rezultatów tego aktualnego i dającego do myślenia wyzwania.