Concurso InnovateFPGA 2021: Los diseñadores creativos nos muestran cómo abordar la sostenibilidad

No sé ustedes, pero a mí me preocupa cada vez más nuestro futuro colectivo. Hoy en día oímos mucho el término "sostenibilidad", pero ¿qué significa realmente? Bien, una forma de verlo es que la sostenibilidad se refiere a la capacidad de coexistencia de los seres humanos y la biosfera de la Tierra. En Nuestro futuro común, también conocido como Informe Brundtland, que fue publicado por las Naciones Unidas en octubre de 1987, la sostenibilidad se definió de forma un tanto conmovedora como "...satisfacer las necesidades de la generación actual sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus necesidades"

Nuestra capacidad para lograr la sostenibilidad se ve amenazada por el crecimiento de la población y el uso ineficiente de los recursos disponibles. En reconocimiento a esto, el tema del Concurso de Diseño InnovateFPGA 2021-22 lanzado por Terasic, en colaboración con Intel, Analog Devices Inc. (ADI) y Microsoft es "Conectando el borde para un futuro sostenible (aplicando la tecnología para abordar los desafíos globales)"

El objetivo del concurso es inspirar y crear soluciones sostenibles que reduzcan nuestro impacto medioambiental. Veamos algunas de las ideas: seguro que te hacen pensar en lo que usted puede hacer.

La batalla de la población contra los recursos

Una de las cosas que afecta negativamente a la sostenibilidad es el número de personas en el planeta. Pensemos en las famosas pirámides de Giza, por ejemplo, que se construyeron entre el 2550 y el 2490 a.C. Es decir, hace solo unos 4.500 años mientras escribo estas palabras. En aquellos días de antaño, solo había unos 20 millones de personas en el planeta. En comparación, en el momento de escribir este artículo, se estima que somos 7900 millones, y se prevé que esta cifra aumente a 8500 millones en 2030¹, 9200 millones en 2040² y casi 10.000 millones en 2050³.

En el lado positivo, una de las cosas que puede afectar positivamente a la sostenibilidad es nuestra capacidad para concebir y aplicar soluciones sociales y tecnológicas a nuestros problemas.

Me encanta la ciencia ficción y la fantasía científica. De joven, a finales de los años sesenta y principios de los setenta, recuerdo haber leído la novela de ciencia ficción de 1952 The Rolling Stones (publicada también con el nombre de Space Family Stone en el Reino Unido) del autor de ciencia ficción, ingeniero aeronáutico y oficial de la marina estadounidense Robert Anson Heinlein. En este cuento, la familia Stone, residente en la Luna, adquiere y reconstruye una nave espacial de segunda mano y realiza un viaje turístico por el sistema solar. Para ello, visitan el cinturón de asteroides, donde se está produciendo el equivalente a la fiebre del oro de California (1848-1855), con mineros de asteroides que buscan diversos materiales, incluidos los minerales radiactivos.

Aunque a mucha gente le parezca todavía material de ciencia ficción, es interesante observar que, en fecha tan reciente como 2017, la Colorado School of Mines puso en marcha un programa de posgrado multidisciplinar que ofrece certificados de posgrado, masters en ciencias y doctorados.Los investigadores de la Universidad de California en Nueva York han obtenido títulos de doctorado en minería de asteroides (lo llaman "recursos espaciales", pero no engañan a nadie, ya sabemos lo que quieren decir).

El problema es que la Tierra es un sistema cerrado. La cantidad de material disponible es limitada. Lo que tenemos hoy es lo que vamos a tener mañana y pasado mañana. Aunque se habla seriamente de la extracción de materias primas (por ejemplo, hierro, níquel, iridio, paladio, platino, oro, magnesio y posiblemente agua) de la Luna, de objetos cercanos a la Tierra y de asteroides, se estima que hacerlo realmente será dentro de al menos 20 años. Incluso cuando esto ocurra, el coste en términos de energía, tiempo y recursos para devolver estos materiales a la Tierra significa que sus cantidades serán minúsculas en el esquema de las cosas durante muchos años. La conclusión es que no podemos esperar recibir cantidades significativas de materias primas adicionales en un futuro previsible, por lo que nos corresponde aprovechar al máximo lo que tenemos.

Cambiando las tornas: El concurso de diseño InnovateFPGA 2021-22

Inspirados en los problemas y necesidades identificados por organizaciones como el Programa de Pequeñas Subvenciones del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (FMAM), que ejecuta el Fondo de las Naciones Unidas para el Desarrollo (FNUD), todo lo anterior nos lleva al Concurso de Diseño InnovateFPGA (Figura 1).

Figura 1: Una de las cosas que pueden afectar positivamente a la sostenibilidad es nuestra capacidad para concebir y aplicar soluciones sociales y tecnológicas a nuestros problemas. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Aceptando el reto de la sostenibilidad, Terasic, Intel, ADI y Microsoft lanzaron el actual Concurso de diseño InnovateFPGA 2021-22, que hace hincapié en el uso inteligente de las FPGA en el borde hacia la reducción de la demanda de los recursos de la Tierra.

Las FPGA son especialmente útiles para esta aplicación, ya que son flexibles y reconfigurables. Además, muchos de los diseños de este concurso se basan en el uso de sofisticados algoritmos como la inteligencia artificial (IA) y la visión artificial (VM), que requieren grandes cantidades de cálculo. El tejido programable de una FPGA puede configurarse para implementar operaciones de forma masivamente paralela, lo que les permite realizar algoritmos de cálculo intensivo localmente en tiempo real y consumiendo relativamente poca energía.

Se invitó a los concursantes a inscribirse en equipos formados por una a tres personas situadas en la misma zona geográfica. Estos equipos fueron invitados a utilizar un kit de conectividad en la nube FPGA P0685 DE10-Nano de Terasic, que se basa en la combinación del popularísimo kit P0496 DE10-Nano y una tarjeta hija P0499 RFS (Figura 2).

El DE10 Nano se basa en una FPGA Intel Cyclone V SE aumentada por 1 gigabyte (Gbyte) de SDRAM DDR3, un cabezal de expansión Arduino (compatible con Uno R3), salida HDMI Full HD, UART-a-USB, un puerto USB On-the-Go (OTG), un zócalo para tarjetas Micro SD, Gigabit Ethernet y cabezales GPIO. La FPGA del sistema en chip (SoC) Cyclone V presenta la combinación de un tejido programable (110.000 elementos lógicos (LE)) y dos núcleos de procesador Arm® Cortex®-A9 de 32 bits.

Figura 2: El kit de conectividad a la nube FPGA combina las ricas características y la versatilidad de una FPGA Intel Cyclone V SoC con las ventajas de la conectividad a la nube. Se pueden conectar sensores adicionales mediante los cabezales compatibles con Arduino o el cabezal ADI QuikEval. (Fuente de la imagen: Terasic)

Por su parte, la tarjeta hija RFS añade comunicación Wi-Fi y Bluetooth, así como una amplia gama de sensores como un acelerómetro de nueve ejes, un giroscopio y un magnetómetro, además de sensores de luz ambiental, temperatura y humedad.

Por supuesto, por muy potente que sea, el kit de conectividad a la nube DE10-Nano FPGA tiene una utilidad limitada por sí solo. "Ningún hombre es una isla", como escribió el poeta inglés John Donne en el siglo XVII, lo que significa que nadie es verdaderamente autosuficiente, y todos deben contar con la compañía y el confort de los demás para prosperar. En este caso, es posible que el kit de conectividad a la nube de la FPGA DE10-Nano tenga que ser ampliado con sensores adicionales; también es posible que tenga que comunicarse con la nube.

Por lo tanto, para apoyar el Concurso de diseño InnovateFPGA 2021-22, estos kits se proporcionarán a los equipos participantes seleccionados sin costo alguno, junto con una pequeña cantidad de tarjetas enchufables de Analog Devices, y créditos/acceso por tiempo limitado a los servicios en la nube Azure de Microsoft.

Analog Devices cuenta con una amplia cartera de placas de evaluación y diseños de referencia para ayudar a resolver los retos de las aplicaciones a nivel de sistema de los desarrolladores. Algunos ejemplos son el EVAL-CN0398-ARDZ (medición de la humedad, el pH y la temperatura del suelo), el EVAL-CN0397-ARDZ (detección de luz de tres canales para la agricultura inteligente) y el DC1338B (monitor de temperatura, corriente y tensión I²C). Estas placas se pueden conectar al DE10 Nano mediante sus cabezales compatibles con Arduino o su cabezal ADI QuikEval.

La forma de la sostenibilidad: Una muestra de los 261 proyectos presentados

Por supuesto, no pude resistirme a dar un paseo por la gran cantidad de proyectos presentados. Estamos hablando de 261 proyectos que abarcan una tremenda gama de áreas de aplicación, así que si decide echar un vistazo por sí mismo, es posible que desee equiparse con algo para beber y empacar un bocadillo porque va a estar felizmente ocupado durante bastante tiempo.

Recuperación de arrecifes de coral y recogida automática de basura: Algunos ejemplos de proyectos que me llamaron inmediatamente la atención fueron EM043, que propone un sistema de entrega de microbios inteligente y de aprendizaje profundo bajo el agua para la recuperación del hábitat de los arrecifes de coral (Figura 3), y AS034, un cubo de basura inteligente que será capaz de identificar y clasificar objetos para determinar qué se puede reciclar y qué no.

Figura 3: El proyecto EM043 es un sistema de recuperación del hábitat de los arrecifes de coral que podrá suministrar probióticos a los corales y controlar su eficacia. El suministro será regulado con precisión por una red de aprendizaje profundo que monitoriza los cambios de color de los corales. (Fuente de la imagen: InnovateFPGA)

El proyecto EM043 se centra en revertir el blanqueamiento de los arrecifes de coral causado por los cambios de temperatura que hacen que los arrecifes expulsen las algas que viven en sus tejidos. Son las algas las que no sólo proporcionan la coloración, sino que también permiten al coral realizar la fotosíntesis necesaria para mantenerlo vivo y sostener el ecosistema.

Existen varios microorganismos beneficiosos para los corales (BMC) que pueden ralentizar, o incluso detener, el proceso de blanqueo, pero hay que determinar cuáles y la mezcla adecuada mediante largas pruebas y prototipos en la periferia. El proyecto EM043 combina el kit de conectividad en la nube con un router móvil 4G, un panel solar, una cámara, un sensor de temperatura, un sensor de nivel y algoritmos de aprendizaje profundo para realizar el análisis y regular el suministro de BMC mediante un módulo especializado (Figura 4).

Figura 4: El proyecto EM043 combina el análisis de aprendizaje profundo con sensores, energía solar, un router 4G y un mecanismo de entrega de BMC, con el DE10 como plataforma central de procesamiento. (Fuente de la imagen: InnovateFPGA)

La nube de Microsoft Azure se conecta mediante el router 4G, y para controlar a distancia el sistema de reparto y supervisar visualmente las condiciones del coral.

El sistema, tal y como se propone, permite a los investigadores marinos llevar a cabo experimentos de seguimiento precisos y fiables sobre la eficacia de las BMC en la reducción del efecto de blanqueo, contribuyendo así a un impacto significativo en la restauración de un ecosistema de arrecifes de coral.

Eliminación de CO₂ orgánico: Otro proyecto que me gusta por su sencillez y escalabilidad es el EM003. Se trata de una planta de interior especial llamada planta de oración (maranta leuconeura), que es una planta tropical de bajo crecimiento originaria de Sudamérica. Diferentes estudios y experimentos han demostrado la capacidad de esta planta para absorber los gases de efecto invernadero de forma muy eficiente en comparación con otras plantas de interior similares. De hecho, los creadores del proyecto señalan que una sola de estas plantas puede reducir la cantidad de CO₂ en una sola habitación en un 14.40% durante un periodo de 24 horas.

La idea de este proyecto es obligar a las plantas de oración a absorber la máxima cantidad posible de CO₂. Para ello, se registrarán los datos sensoriales (temperatura, humedad, luz ambiental, humedad del suelo) en la nube, se experimentará con el ciclo de riego y se analizarán los resultados. El objetivo final es que millones de personas utilicen estas plantas y que se recojan y analicen los datos del mayor número posible. Además del kit de conectividad en la nube DE10-Nano FPGA, este proyecto emplea un sensor de humedad del suelo y una bomba de agua con un actuador de CC (Figura 5).

Figura 5: En el proyecto EM003, todos los datos sensoriales son preprocesados por la FPGA, que también controla el ciclo de riego de la planta; los datos procesados se envían a la nube para ser combinados con los datos de otras plantas para ser analizados. (Fuente de la imagen: InnovateFPGA)

Dron para el análisis del estrés hídrico en la agricultura: No sé ustedes, pero a mí me encanta todo lo que tenga que ver con drones, así que otro proyecto que exigía una investigación era el AP008, que cuenta con un dron llamado "Agri-Bird" que ayuda a detectar el estrés hídrico en entornos agrícolas (Figura 6). Este equipo tiene su sede en Islamabad, Pakistán.

Según el equipo, la agricultura utiliza aproximadamente el 90% del suministro de agua de Pakistán. Si las cosas siguen su curso actual, los recursos hídricos del país podrían agotarse en 2040. Para evitarlo y ofrecer soluciones al agricultor medio, el proyecto AP008 propone utilizar la combinación de datos meteorológicos, datos de sensores sobre el terreno y datos aéreos recogidos por un dron para crear un modelo de predicción del estrés hídrico.

Figura 6: Al usar los datos recogidos por un dron junto con los de otras fuentes, el modelo de estrés hídrico resultante puede utilizarse para prevenir (a) la pérdida de productos por déficit hídrico, (b) la pérdida de nutrientes del suelo por exceso de riego, (c) la mala regulación del riego y (d) los incendios forestales. (Fuente de la imagen: InnovateFPGA)

Deshacerse de los residuos de plástico: Podría seguir, pero un proyecto final que me interesa personalmente es AP080, que consiste en un pequeño robot inteligente que recorre las calles de la ciudad detectando y recogiendo residuos de plástico para su reciclaje. Este tema me toca de lleno porque últimamente veo residuos de plástico allá donde voy (Figura 7).

Figura 7: No tendrá que ser así si el proyecto AP080 da vida a su robot inteligente. Aunque este proyecto está inicialmente orientado a las calles de la ciudad, puede que, con el tiempo, sea capaz de aliviar el azote de los residuos plásticos. (Fuente de la imagen: The Nature Conservatory)

Cuando era niño y mis padres me llevaban de vacaciones, después de un día de playa nuestra norma familiar era dejar todo más limpio de lo que lo encontramos. Para ello, no solo recogimos nuestra propia basura, sino también cualquier otra que pudiéramos ver en los alrededores. Me avergüenzo cuando veo que la gente se deshace de la basura despreocupadamente dejándola caer mientras camina o arrojándola por la ventanilla del coche. Va a ser difícil persuadir a ese tipo de personas para que dejen de hacerlo, pero su comportamiento se vería mitigado si tuviéramos robots como los que propone este proyecto, limpiando detrás de ellos.

Lo que da miedo es que, por muy interesantes y diversos que sean los proyectos de ejemplo presentados aquí, ni siquiera hemos arañado la superficie de todas las posibilidades que presentan las presentaciones a este concurso. El mero hecho de ojear los proyectos a alto nivel me hizo exclamar constantemente "¡Ooh, qué brillante!", y detenerme para profundizar en ellos. De hecho, voy a volver a bañarme en cuanto termine de escribir esta columna.

Conclusión:

Ya están todas las inscripciones para el Concurso de Diseño InnovateFPGA 2021-22. Los equipos trabajan ahora con ahínco en sus proyectos con la vista puesta en las finales regionales, que tendrán lugar en marzo de 2022, y en la gran final, prevista para junio de 2022. No sé ustedes, pero yo estoy impaciente por ver los resultados de este reto tan oportuno y sugerente.