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Un cambiamento grande come il mare: una svolta per la ricerca oceanica
ProMare e IBM lanciano la nave autonoma Mayflower
"La sfida più grande è lo stesso oceano", afferma Brett Phaneuf, Co-fondatore di ProMare, un'organizzazione di ricerca ed esplorazione marina. "Finora non è mai stata costruita una nave in grado di resistere alla forza degli oceani."
Nel 1620, consapevoli della grande sfida che li attendeva, 102 passeggeri della Mayflower originale salparono per un viaggio avventuroso da Plymouth, in Inghilterra, alla volta del Nuovo Mondo, animati dalla speranza di un futuro migliore. E nel 2016, quando tutta la comunità di Plymouth si radunò per discutere come commemorare l'imminente 400° anniversario del viaggio della Mayflower, l'innato senso di sfida verso il mare e il nuovo stimolo per le scoperte avevano spinto Phaneuf ad alzarsi in piedi e fare una domanda: "Perché non usare quest'opportunità per fare un passo nel futuro, piuttosto che ricordare il passato?"
Phaneuf si era trasferito nel Regno Unito qualche anno prima e aveva fondato la MSUBs, un'azienda che progetta e costruisce mini-sottomarini, principalmente per i settori della sicurezza e della difesa. Da tempo si stava interessando ai sistemi autonomi, ma non aveva ancora rivolto la sua attenzione a una nave. Ora invece ha colto l'opportunità.
"Quando nella città di Plymouth si è iniziato a parlare della costruzione di una replica della Mayflower originale, Phaneuf ha dichiarato: "Ce n'è già una nel Massachusetts — ci sono cresciuto non troppo lontano. Dovremmo invece parlare dei prossimi 400 anni dell'impresa marittima. Lasciamoci ispirare da ciò che hanno fatto i Pellegrini e lanciamoci verso un nuovo inizio."
Per Phaneuf questa era l'occasione ideale per presentare la sua idea: una nave autonoma e senza equipaggio che avrebbe attraversato l'Atlantico, ripercorrendo la rotta della Mayflower originale e condotto ricerche fondamentali nell'oceano durante il viaggio e anche nel futuro. "Fu allora che nacque l'idea della nave autonoma Mayflower", afferma Phaneuf. "Noi abbreviamo il nome in MAS."
Alla base della visione di Phaneuf per la MAS c'è la crescente necessità di avere maggiori conoscenze scientifiche sull'oceano. "Nonostante due terzi della superficie del nostro pianeta siano coperti d'acqua, ne abbiamo esplorato meno del 5%", afferma. "Questa mancanza di conoscenza dovrebbe spaventarci perché l'oceano controlla l'intero clima del nostro pianeta."
Automazione completa
Sensori, dispositivi periferici, automazione delle decisioni e computer vision consentono la totale autonomia (non è richiesto alcun intervento umano)
Stato attuale
La MAS attualmente si trova nelle acque dell'Atlantico
Una nave autonoma ha il vantaggio di essere costruita appositamente per uno scopo specifico. La nave diventa una macchina piuttosto che un albergo galleggiante. "Se si elimina il fattore umano dalle navi, è possibile reinventare completamente il design," afferma Phaneuf. "Puoi concentrarti esclusivamente sulla meccanica e sul funzionamento della nave."
Tuttavia, in pratica, Phaneuf e ProMare sapevano che la chiave per mettere in mare una nave autonoma, senza esseri umani al timone, era la tecnologia informatica in grado di sostenere l'intelligenza di bordo. Per passare dalla progettazione della MAS alla realizzazione in cantiere, ProMare aveva bisogno di un partner tecnologico con una profonda esperienza nell'AI, nell'edge computing e nella ricerca scientifica, oltre all'esperienza nel settore della navigazione globale.
Alla fine del 2016, quando l'architetto navale della ProMare presentò il progetto della MAS a una conferenza in Svizzera, i rappresentanti di IBM erano tra il pubblico — e rimasero incuriositi dall'idea di Phaneuf.
"Durante i primi giorni del progetto Mayflower, ho detto al mio CTO che avevo bisogno che mi costruisse una "Captain Watson" perché sono cresciuto guardando il team IBM Watson sviluppare un'AI sempre più potente", afferma Phaneuf. "Questo è ciò di cui avevamo bisogno per mettere la nostra nave in mare. Abbiamo avuto la fortuna di incontrare in IBM un gruppo incredibilmente generoso di persone che avevano ancora più capacità ed erano disposti ad aiutare."
I dati di cui abbiamo bisogno per l'oceano che vogliamo
Ricoprendo il 71% della superficie terrestre, l'oceano genera più della metà dell'ossigeno della Terra, regola il clima globale e ha funzione di dissipatore di calore per ridurre gli effetti del riscaldamento globale. Tuttavia, nonostante la vastità, anche l'oceano non è immune dall'attività umana. Oggi, l'oceano è più inquinato, più caldo, più acido e più tempestoso che mai.
Per contribuire a invertire il processo di declino dell'oceano, le Nazioni Unite hanno dichiarato il 2021 – 2030 come il Decade of Ocean Science for Sustainable Development (Decennio delle Scienze del Mare per lo Sviluppo Sostenibile). Questa iniziativa globale promuoverà una migliore conoscenza dell'oceano per proteggerlo e gestirlo in modo più sostenibile — e la chiave per comprendere meglio l'oceano e un numero sempre maggiore e migliori di dati.
Tuttavia, raccogliere dati su un sistema vasto e complicato come l'oceano è enormemente costoso. Anche condurre ricerche in un ambiente spietato come l’oceano espone ad alto rischio navi ed equipaggi. L'impatto pratico di questi costi e rischi è che vaste aree della superficie dell'oceano rimangono ancora inesplorate. Persistono ancora enormi lacune nelle conoscenze sui cambiamenti climatici, l'inquinamento dovuto alla plastica, il degrado degli habitat, la conservazione della vita marina e altri argomenti importanti.
"La maggior parte dei dati sugli oceani di cui disponiamo sono influenzati dalla localizzazione delle rotte della navigazione commerciale," afferma Phaneuf. "Per esplorare il resto degli oceani non possiamo permetterci, come società, di continuare a costruire gigantesche navi da ricerca da 50 milioni – 100 milioni di dollari. E anche se lo facessimo, non ne avremmo mai abbastanza. Ma allo stesso tempo, non possiamo permetterci di ignorare la crescente necessità di ricerca sugli oceani."
Le navi da ricerca autonome come la MAS — integrate con altre reti terrestri, navali e satellitari — possono raccogliere dati sull'oceano su una scala e con un rapporto costo-efficacia ben superiore a quanto è possibile con l'odierna flotta relativamente piccola di navi da ricerca con equipaggio. "Ecco perché mi sono interessato all'utilizzo della robotica e all'autonomia nell'esplorazione dell'oceano. Si scoprono parti dell'oceano semplicemente non accessibili agli esseri umani," afferma Phaneuf.
Come previsto da ProMare e dal progetto MAS, il futuro della ricerca degli oceani è un insieme ibrido di navi e dispositivi con e senza equipaggio, grandi e piccoli, con vari gradi di autonomia — che lavorano tutti insieme per aumentare la quantità e la qualità dei dati.
Fino a poco tempo fa, l'obiettivo di accumulare un numero maggiore di dati sugli oceani senza inviare più marinai e scienziati in viaggi costosi e rischiosi non sembrava possibile. Tutto dipendeva da una domanda: l'AI, l'edge computing e le tecnologie correlate sono pronte e sufficientemente robuste per garantire una vera autonomia?
"Nel corso della storia, le navi sono sempre state all'avanguardia nello sviluppo tecnologico, perché erano necessarie per il commercio e lo spostamento delle persone", afferma Phaneuf. E non è una sorpresa che con la MAS, questo avvenga sulle navi. Sono sempre state in prima linea."
Con la sua forma elegante, che ricorda Star Trek, lo scafo trimarano altamente stabile della MAS può lambire le onde a oltre 10 nodi, guidato da un sistema di propulsione ibrido-elettrico a energia solare. MAS è inoltre dotata di navigazione inerziale di precisione, posizionamento globale del sistema di navigazione satellitare (GNSS), sensori radar, comunicazioni satellitari e strumentazione meteorologica.
Costruita in Polonia secondo le specifiche di ProMare, questa nave da 5 tonnellate e lunga 15 metri incorpora numerose caratteristiche avanzate di architettura marina, tutte progettate per resistere allo stress di lunghi viaggi in mare. Ma su questa Mayflower non ci sono cuccette o cambuse per il capitano o l'equipaggio. È invece la tecnologia di cognitive computing di IBM, già sperimentata in altri settori, a pilotare questo nuovo tipo di nave e a mantenerla stabile.
"Avevamo bisogno di superare la tecnologia esistente per le navi senza equipaggio per creare una nave che non fosse solo gestita a distanza e che non reagisse semplicemente all'ambiente, ma apprendesse e si adattasse in modo indipendente," afferma Don Scott, Director of Engineering presso Submergence Group, un'affiliata ProMare. “Quando abbiamo ideato questa nave quattro anni fa, non ero sicuro che saremmo stati in grado di ospitare un sistema come questo su una nave. Ma i recenti progressi, soprattutto nell’edge computing, lo hanno reso possibile."
Il "cervello" di bordo che conferisce alla MAS piena autonomia — la capacità di operare senza l'intervento umano — è chiamato dal team "Capitano AI". Proprio come ogni capitano umano richiede anni di addestramento prima di poter comandare una nave, il Capitano AI della MAS ha seguito anni di addestramento per apprendere i rudimenti.
Utilizzando algoritmi di inferenza e modelli generati dalla tecnologia di computer vision IBM Visual Insights, il Capitano AI è stato addestrato su oltre un milione di immagini nautiche in modo da poter riconoscere navi, detriti, ponti, scogli e altri pericoli. I server IBM Power Systems sono stati utilizzati per soddisfare le significative richieste di elaborazione di machine learning richieste per la formazione del Capitano AI. Un'ulteriore modellazione matematica per il supporto decisionale è stata fornita da IBM CPLEX Optimizer.
Non appena il Capitano AI riceve dati utilizzabili da telecamere di bordo, radar, sonar, AIS e altre attrezzature, si avvale del sistema di gestione automatizzata delle regole di IBM, chiamato IBM Operational Decision Manager (ODM) per rispettare l'International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREG), il cosiddetto Regolamento internazionale per prevenire gli abbordi in mare (International Regulations for Preventing Collisions at Sea) e altre convenzioni marittime. Ampiamente utilizzato nel settore dei servizi finanziari per approvare prestiti e personalizzare le offerte ai clienti, l'ODM fornisce un registro trasparente dei processi decisionali per evitare scenari da "black box" quando non è chiaro il motivo di una particolare decisione.
Per rilevare l'ambiente circostante e prendere decisioni intelligenti in modo indipendente senza dover essere collegato a un computer a terra, la MAS dispone di 15 dispositivi di edge computing per elaborare i dati a bordo. Anche la logica decisionale, basata sul software ODM, viene eseguita come carico di lavoro marginale sulla nave.
Tutti i dispositivi edge sono orchestrati in modo sicuro da IBM Edge Application Manager, che distribuisce il software ai sensori posizionati ai bordi della nave. IBM Maximo Application Suite offre una manutenzione e una gestione intelligente degli asset. "Ho chiamato la MAS il dispositivo edge definitivo," afferma Scott. "Tutte le fotocamere sono dispositivi edge intelligenti. Anche il sistema di gestione della batteria è un dispositivo edge intelligente."
Una volta in mare, il Capitano AI della MAS si affida alle raccomandazioni ODM e agli aggiornamenti attuali e previsti di The Weather Company, un'azienda IBM, per valutare ininterrottamente le opzioni, evitare i pericoli, prendere decisioni sulla navigazione ed eseguire la missione di ricerca a portata di mano.
A mantenere tutti i dati e le applicazioni perfettamente integrati, sicuri e connessi da ogni periferia della rete MAS, ci pensano IBM Cloud e IBM Cloud Object Storage, progettati per supportare carichi di lavoro mission-critical ovunque, anche nel bel mezzo dell'oceano.
Una funzione Safety Manager, in esecuzione su Red Hat Enterprise Linux (link esterno), supporta anche le decisioni del Capitano AI per contribuire a garantire la sicurezza della MAS e delle navi vicine.
Mentre la formazione del Capitano AI continua e registra sempre più ore di autonomia in mare, ProMare sta già pensando al futuro di questa tecnologia, anche oltre il progetto MAS. "La cosa bella del software che stiamo sviluppando per il Capitano AI è che può essere utilizzato anche su navi con equipaggio," afferma Phaneuf. "Può aumentare la capacità di eseguire un compito e liberare la parte creativa di una persona per essere un essere umano migliore e, in questo caso, un essere umano più sicuro."
Nonostante le interruzioni legate alla pandemia mondiale di COVID-19, nel 2020 sono stati raggiunti i traguardi chiave del progetto MAS. Anche durante il completamento della costruzione della nave, il team ProMare e IBM hanno sviluppato e testato il Capitano AI in una stazione di ricerca e sviluppo a Plymouth. Il dipartimento di ricerca e sviluppo, che si protende nel porto principale della città dall'estremità di un molo, ha vissuto tutta l'azione del ponte di comando di una nave ed è stato fondamentale per insegnare al Capitano AI come riconoscere e navigare intorno a navi, boe e altri ostacoli nell'acqua.
Mentre gli scafi principali e gli stabilizzatori della nave venivano trasportati dalla Polonia all'Inghilterra per l'assemblaggio finale, sono iniziati lavori più dettagliati sullo scopo principale della MAS: raccogliere conoscenze scientifiche sull'oceano. Il design modulare della nave comprende tre aree scientifiche in cui è possibile inserire o estrarre i kit di ricerca, a seconda degli argomenti di ricerca. IBM Research ha sviluppato tre progetti di ricerca iniziali per la MAS: misurare il livello del mare e l'altezza delle onde, analizzare la composizione chimica dell'acqua di mare e ascoltare i canti delle balene attraverso gli idrofoni.
"Una degli aspetti che mi entusiasma davvero di questo progetto è che utilizzeremo le tecnologie con cui lavoro ogni giorno per rivoluzionare il modo in cui acquisiamo dati nell'oceano," afferma Rosie Lickorish, ricercatrice IBM e ingegnere software con anche un background di ricerca sugli oceani. "Utilizzeremo l'AI, l'autonomia, la robotica e l'edge computing per creare nuovi sensori e dispositivi che ci consentano di scalare molto più efficacemente il modo in cui raccogliamo i dati dall'oceano."
Il giorno più importante del 2020 è stato il 16 settembre, quando alla nave MAS completamente assemblata è stato dato ufficialmente il nome, per poi vararla nel porto di Plymouth. È stato anche lanciatoMas400.com (link esterno a ibm.com), un portale di missioni in tempo reale che consente al mondo di seguire il progetto MAS e ricevere aggiornamenti sui suoi viaggi.
Ora che la MAS è in mare, la nave sarà sottoposta a diversi mesi di prove in mare e missioni di ricerca, fino ad arrivare al suo viaggio inaugurale dal Regno Unito agli Stati Uniti, previsto per l'aprile del 2021. "Utilizzeremo i sensori a bordo della nave per calibrare le letture [dai satelliti e dai sensori vicino alla costa]", afferma Lickorish. "Questo ci fornirà informazioni preziose su cose come le spedizioni e i porti."
L'insegnamento della MAS non avrà solo un valore scientifico, ma guiderà anche progressi pratici e sostenibili per molte organizzazioni che operano sull'oceano o in prossimità di esso, come il trasporto marittimo e la logistica, i settori di esplorazione di petrolio e gas e quelli legati alla sicurezza e alla difesa.
"Mentre il mercato del trasporto marittimo autonomo è destinato a crescere dagli attuali 90 miliardi di dollari a oltre 130 miliardi di dollari entro il 2030, molte delle navi autonome di oggi sono in realtà solo automatizzate — robot che non si adattano dinamicamente a nuove situazioni e si affidano in larga misura al controllo dell'operatore," afferma Scott. "Utilizzando un insieme integrato di tecnologie AI, cloud ed edge di IBM, puntiamo a dare alla Mayflower la capacità di operare autonomamente in alcune delle circostanze più difficili del pianeta."
Mentre il conto alla rovescia prosegue fino a quando inizierà il viaggio di 3.220 miglia della MAS dal Regno Unito agli Stati Uniti nella primavera del 2021, ProMare ha in programma di andare oltre. "Andremo nell'Artico e stiamo pensando alla circumnavigazione globale", dice Phaneuf. "Continueremo a utilizzare la MAS come piattaforma per molti anni nel futuro e, speriamo che sia motivo di ispirazione anche per la prossima generazione di navi."
Con l'avvicinarsi dell'aprile 2021, Phaneuf e il suo team pensano alla traversata fatta al tempo dalla Mayflower e condividono molte delle stesse speranze e paure che i Pellegrini hanno provato quando si sono imbarcati verso l'ignoto. "Penso che ciò che abbiamo più in comune con loro è che non siamo sicuri di farcela. Ma siamo disposti a correre il rischio," afferma Phaneuf. "Mi impegno a ottenere le risorse di cui abbiamo bisogno con l'aiuto del nostro team e IBM in particolare. Non credo che mi rilasserò affatto fino a quando la MAS non attraverserà l’oceano e non attraccherà a Plymouth, nel Massachusetts."
Fondata nel 2001 per promuovere la ricerca e l'esplorazione marina, ProMare (link esterno a ibm.com) è una società senza scopo di lucro nonché ente di beneficenza 501 (c) (3) con sede a Chester, nel Connecticut. Il suo team di esperti archeologi e professionisti marini esegue progetti di ricerca in modo indipendente e con organizzazioni accademiche, aziendali, pubbliche e governative per far progredire la conoscenza della storia e della scienza legate all'oceano.
Note a piè di pagina
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Prodotto negli Stati Uniti d'America, aprile 2022.
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