2021 InnovateFPGA Contest: Luovat suunnittelijat näyttävät, miten saavuttaa kestävä kehitys

En tiedä sinusta, mutta yhteinen tulevaisuudestamme huolestuttaa minua yhä enemmän. Käsitettä ”kestävä kehitys” käytetään nykyään paljon, mutta mitä se oikeastaan tarkoittaa? Yksi tapa tarkastella sitä on se, että kestävä kehitys tarkoittaa ihmisten ja maapallon biosfäärin kykyä elää rinnakkain. Yhdistyneiden Kansakuntien lokakuussa 1987 julkaisemassa Brundtlandin raportissa, joka tunnetaan myös nimellä Yhteinen tulevaisuutemme (Our Common Future), kestävä kehitys määriteltiin jokseenkin osuvasti seuraavasti: ”...nykyisen sukupolven tarpeiden tyydyttäminen vaarantamatta tulevien sukupolvien mahdollisuuksia tyydyttää omat tarpeensa”.

Väestönkasvu ja käytettävissä olevien resurssien tehoton käyttö haastavat kykymme saavuttaa kestävä kehitys. Tämän vuoksi kilpailun InnovateFPGA Design Contest 2021–22, jonka ovat yhteistyössä lanseeranneet Terasic, Intel, Analog Devices Inc. (ADI) ja Microsoft, aiheena on ”Reunateknologian yhdistäminen kestävää tulevaisuutta varten (teknologian käyttö maailmanlaajuisten haasteiden voittamiseen)” (Connecting the Edge for a Sustainable Future (Applying Technology to Address Global Challenges).

Kilpailun tavoitteena on inspiroida ja luoda kestäviä ratkaisuja, jotka vähentävät ympäristövaikutustamme. Tutustutaanpa joihinkin ideoista: ne saavat sinut taatusti miettimään, mitä sinä voit tehdä.

Väestön ja resurssien välinen taistelu

Yksi kestävään kehitykseen kielteisesti vaikuttavista tekijöistä on ihmisten määrä maapallolla. Ajatellaanpa esimerkiksi Gizan kuuluisia pyramideja, jotka rakennettiin noin 2550–2490 eaa. Se on vain noin 4500 vuotta ennen kun kirjoitan näitä sanoja. Noihin aikoihin planeetalla oli vain noin 20 miljoonaa ihmistä. Vertailun vuoksi: tätä kirjoitettaessa meitä arvioidaan olevan 7,9 miljardia, ja määrän ennustetaan nousevan 8,5 miljardiin vuoteen 2030¹ mennessä, 9,2 miljardiin vuoteen 2040² mennessä ja lähes 10 miljardiin vuoteen 2050³ mennessä.

Positiivinen huomio on, että kykymme keksiä ja toteuttaa sosiaalisia ja teknologisia ratkaisuja ongelmiimme voi vaikuttaa myönteisesti kestävään kehitykseen.

Rakastan tieteiskirjallisuutta ja tieteisfantasiaa. Muistan lukeneeni 1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa nuorena poikana amerikkalaisen tieteiskirjailijan, ilmailuinsinöörin ja merivoimien upseerin Robert Anson Heinleinin vuonna 1952 ilmestyneen tieteisromaanin The Rolling Stones (joka julkaistiin Yhdistyneessä kuningaskunnassa myös nimellä Space Family Stone). Tässä tarinassa kuussa asuva Stone-perhe ostaa ja rakentaa uudelleen käytetyn avaruusaluksen ja lähtee kiertomatkalle aurinkokunnan ympäri. Osana matkaa he vierailevat asteroidivyöhykkeellä, jossa on meneillään Kalifornian kultaryntäystä (1848–1855) vastaava ilmiö, jossa asteroidikaivostyöläiset etsivät erilaisia materiaaleja, kuten radioaktiivisia malmeja.

Vaikka tämä saattaa tuntua monista edelleen tieteiskirjallisuudelta, on kiinnostavaa huomata, että Colorado School of Mines aloitti vuonna 2017 monitieteellisen jatko-opiskeluohjelman, joka tarjoaa Post-Baccalaureate-, Master of Science- ja tohtorintutkintoja asteroidien louhinnasta (he kutsuvat sitä nimellä ”Avaruusresurssit”, mutta he eivät huijaa ketään – me tiedämme, mitä he tarkoittavat).

Ongelma on se, että maapallo on suljettu järjestelmä. Materiaalia on saatavilla rajallinen määrä. Se mitä meillä on tänään, se meillä on myös huomenna ja ylihuomenna. Vaikka raaka-aineiden (esim. rauta, nikkeli, iridium, palladium, platina, kulta, magnesium ja – mahdollisesti – vesi) louhimisesta kuusta, maanläheisistä kohteista ja asteroideista puhutaankin vakavasti, tulee kestämään vähintäänkin 20 vuotta ennen kuin se aloitetaan. Vaikka tämä toteutuisikin, näiden materiaalien tuonti maapallolle kuluttaa energiaa, aikaa ja resursseja sen verran, että niiden määrät tulevat olemaan vähäisiä vielä monien vuosien ajan. Tosiasia on se, että emme voi odottaa saavamme merkittäviä määriä uusia raaka-aineita lähitulevaisuudessa, joten meidän tulee hyödyntää parhaalla mahdollisella tavalla se, mikä meillä on.

Sivun kääntäminen: InnovateFPGA Design Contest 2021–22 -suunnittelukilpailu

Yhdistyneiden kansakuntien kehitysrahaston (UNDF) toteuttaman Global Environment Facility (GEF) Small Grants Program -ohjelman sekä muiden vastaavien organisaatioiden identifioimien ongelmien ja tarpeiden innoittamana kaikki edellä mainittu johtaa meidät InnovateFPGA Design Contest -kilpailuun (kuva 1).

Kuva 1: Yksi tekijä, jolla voi olla myönteinen vaikutus kestävään kehitykseen, on kykymme ideoida ja toteuttaa sosiaalisia ja teknologisia ratkaisuja ongelmiimme. (Kuvan lähde: DigiKey)

Terasic, Intel, ADI ja Microsoft ovat vastanneet kestävän kehityksen haasteeseen ja lanseeranneet nykyisen InnovateFPGA Design Contest 2021–22 -kilpailun, jonka painopisteenä on ohjelmoitavien porttimatriisien (FPGA) älykäs käyttö reunateknologiassa maapallon resurssien kysynnän vähentämiseksi.

Ohjelmoitavat porttimatriisit ovat erityisen hyödyllisiä tähän tarkoitukseen, koska ne ovat sekä joustavia että uudelleenkonfiguroitavia. Lisäksi monet tämän kilpailun töistä perustuvat sellaisten kehittyneiden algoritmien kuten tekoälyn (AI) ja konenäön (MV) käyttöön. Nämä vaativat valtavasti laskentakapasiteettia. FPGA-piirien ohjelmoitava rakenne voidaan konfiguroida toteuttamaan operaatioita massiivisesti rinnakkain, jolloin ne pystyvät suorittamaan laskentaintensiivisiä algoritmeja paikallisesti reaaliajassa ja kuluttamaan suhteellisen vähän virtaa.

Kilpailijoita pyydettiin rekisteröitymään tiimeinä, jotka koostuivat yhdestä kolmeen samalla maantieteellisellä alueella olevasta henkilöstä. Näitä tiimejä pyydettiin käyttämään Terasicin P0685 DE10-Nano FPGA -pilviyhteyssarjaa, joka perustuu erittäin suositun P0496 DE10-Nano -sarjan ja P0499 RFS -tytärkortin yhdistelmään (kuva 2).

DE10 Nano perustuu Intel Cyclone V SE FPGA -piiriin, jota on täydennetty 1 gigatavun (Gbyte) DDR3 SDRAM-muistilla, Arduino-laajennusliittimellä (Uno R3 -yhteensopiva), Full HD HDMI -lähdöllä, UART-USB-piirillä, USB On-the-Go (OTG) -portilla, Micro SD -korttipaikalla, Gigabitin Ethernetillä ja GPIO-liittimillä. Järjestelmäpiiri-FPGA Cyclone V tarjoaa ohjelmoitavan rakenteen (110 000 logiikkaelementtiä (LE)) ja kaksi 32-bittistä Arm® Cortex®-A9 -prosessoriydintä.

Kuva 2: FPGA-pilviyhteyssarjassa yhdistyvät Intel Cyclone V -järjestelmäpiiri-FPGA:n runsaat ominaisuudet ja monipuolisuus sekä pilviyhteyden edut. Lisää antureita voidaan kytkeä Arduino-yhteensopivilla liittimen sekä ADI QuikEval -liittimen kautta. (Kuvan lähde: Terasic)

RFS-tytärkortti tuo kokoonpanoon Wi-Fi- ja Bluetooth -yhteyden sekä laajan valikoiman antureita, kuten yhdeksänakselisen kiihtyvyysanturin, gyroskoopin ja magnetometrin sekä ympäristön valo-, lämpötila- ja kosteusanturit.

Vaikka DE10-Nano FPGA -pilviyhteyssarja on sellaisenaan tehokas, siitä on yksinään tietysti vain rajoitetusti hyötyä. Englantilainen runoilija John Donne kirjoitti 1600-luvulla ”Yksikään ihminen ei ole saari” ja tarkoitti, että kukaan ei ole todella omavarainen ja että kaikkien on tukeuduttava toinen toiseensa menestyäkseen. Tässä tapauksessa DE10-Nano FPGA -pilviyhteyssarjaa on ehkä täydennettävä lisäantureilla, ja sen tulee ehkä myös kommunikoida pilven kanssa.

InnovateFPGA Design Contest 2021–22 -kilpailua tuetaan antamalla näitä sarjoja valituille osallistuville tiimeille maksutta. Tiimit saavat myös pienen määrän Analog Devices -yrityksen liitäntäkortteja ja Microsoft Azure -pilvipalveluiden krediittejä / rajoitetun ajan kestävän käyttöoikeuden.

Analog Devices tarjoaa laajan valikoiman arviointikortteja ja referenssimalleja, joiden avulla kehittäjät voivat ratkaista järjestelmätason sovellushaasteita. Esimerkkejä ovat EVAL-CN0398-ARDZ (maaperän kosteuden, pH:n ja lämpötilan mittaus), EVAL-CN0397-ARDZ (kolmikanavainen valon tunnistus älykkääseen maatalouteen) ja DC1338B (I²C-lämpötila-, virta- ja jännitevalvonta). Nämä piirikortit voidaan kytkeä DE10 Nanoon Arduino-yhteensopivilla liittimillä tai ADI QuikEval -liittimellä.

Kestävän kehityksen muoto: otos 261 osallistujaprojektista

En luonnollisestikaan voinut olla tutustumatta lähetettyjen projektien valtavaan määrään. Kyseessä on 261 projektia, jotka kattavat valtavan määrän erilaisia sovellusalueita. Jos päätät tutustua niihin itse, kannattaa siis varustautua juomalla ja välipalalla, sillä se tulee viemään hyvän aikaa.

Koralliriuttojen elvytys ja automatisoitu jätteen keruu: esimerkkejä projekteista, jotka kiinnittivät huomioni heti, olivat EM043, jossa ehdotetaan vedenalaista syväoppivaa, älykästä mikrobien annostelujärjestelmää koralliriuttojen elinympäristön elvyttämiseksi (kuva 3), ja AS034, älykästä roskakoria, joka pystyy tunnistamaan ja luokittelemaan esineitä sen määrittämiseksi, mitä voidaan kierrättää ja mitä ei.

Kuva 3: Projekti EM043 on koralliriuttojen elinympäristön elvytysjärjestelmä, joka pystyy annostelemaan korallien probiootteja ja monitoroimaan niiden tehokkuutta. Annostelua säätelee tarkasti syväoppimisverkko, joka tarkkailee korallien värimuutoksia. (Kuvan lähde: InnovateFPGA)

Projektissa EM043 keskitytään korjaamaan lämpötilan muutosten aiheuttamaa koralliriuttojen vaalenemista. Lämpötilan muutokset johtavat siihen, että riutat karkottavat kudoksissaan eläviä leviä. Levä ei ainoastaan anna väriä, vaan se myös mahdollistaa korallin fotosynteesin, joka on välttämätöntä korallin pysymiseksi hengissä ja ekosysteemin ylläpitämiseksi.

On olemassa erilaisia koralleille hyödyllisiä mikro-organismeja (BMC), jotka voivat hidastaa tai jopa pysäyttää vaalenemisprosessin. Se mitkä niistä ovat sopivia ja mikä on oikea yhdistelmä, on kuitenkin määritettävä pitkäaikaisella prototyyppitestauksella ja reunateknologian testauksella. Projektissa EM043 yhdistetään pilviyhteyssarja, 4G-mobiilireititin, aurinkopaneeli, kamera, lämpötila-anturi, tasoanturi ja syväoppimisalgoritmit analyysin suorittamiseksi ja hyödyllisten mikro-organismien annostelun säätelemiseksi erikoistuneen moduulin avulla (kuva 4).

Kuva 4: Projektissa EM043 yhdistetään syväoppimisanalyysi antureihin, aurinkoenergiaan, 4G-reitittimeen ja hyödyllisten mikro-organismien annostelumekanismiin. DE10 toimii keskusprosessointialustana. (Kuvan lähde: InnovateFPGA)

Yhteys Microsoft Azure -pilvipalveluun muodostetaan 4G-reitittimellä annostelujärjestelmän etäohjausta ja koralliolosuhteiden visuaalista monitorointia varten.

Ehdotetun kaltaisen järjestelmän avulla merentutkijat voivat tehdä tarkkoja ja luotettavia monitorointikokeita hyödyllisten mikro-organismien tehokkuudesta vaalenemisvaikutuksen vähentämisessä, mikä edistää merkittävästi koralliriuttojen ekosysteemin palautumista.

Orgaanisen hiilidioksidin poisto: Toinen projekti, josta pidän sen yksinkertaisuuden ja skaalautuvuuden vuoksi, on EM003. Se perustuu erityiseen huonekasviin nimeltä nukkumatti (maranta leuconeura), joka on Etelä-Amerikasta kotoisin oleva matalakasvuinen trooppinen kasvi. Erilaiset tutkimukset ja kokeet ovat osoittaneet, että tämä kasvi pystyy sitomaan kasvihuonekaasuja erittäin tehokkaasti vastaaviin huonekasveihin verrattuna. Projektin luojat itse asiassa toteavat, että jo yksi tällainen kasvi voi vähentää hiilidioksidin määrää yksittäisessä huoneessa 24 tunnin aikana 14,40 prosenttia. .

Projektin ideana on pakottaa nukkumatit sitomaan mahdollisimman paljon hiilidioksidia. Tämä saavutetaan tallentamalla anturidataa (lämpötila, kosteus, ympäristön valo, maaperän kosteus) pilvipalveluun, tekemällä kastelujaksokokeita ja analysoimalla tuloksia. Lopullisena tavoitteena on, että miljoonat ihmiset käyttäisivät näitä kasveja ja että mahdollisimman monilta kerättäisiin ja analysoitaisiin tietoja. DE10-Nano FPGA -pilviyhteyssarjan lisäksi tässä projektissa käytetään maaperän kosteusanturia ja vesipumppua, johon kuuluu DC-aktuaattori (kuva 5).

Kuva 5: Projektissa EM003 kaikki anturitiedot esikäsitellään FPGA:lla, joka myös ohjaa kasvin kastelusykliä. Prosessoidut tiedot lähetetään sitten pilvipalveluun, jossa ne yhdistetään analysoitavaksi muiden kasvien tietojen kanssa. (Kuvan lähde: (InnovateFPGA)

Drooni maatalouden vesistressianalyysiä varten: En tiedä sinusta, mutta itse olen ihastunut kaikkeen drooneihin liittyvään, joten seuraava tutkimista edellyttävä projekti oli AP008, jossa käytetään ”Agri-Bird” -nimistä droonia, joka auttaa tunnistamaan maatalouden aiheuttamaa vesistressiä (kuva 6). Tämä ryhmä toimii Pakistanin Islamabadissa.

Tiimin mukaan maatalous kuluttaa noin 90 prosenttia Pakistanin vesivaroista. Jos asiat jatkuvat nykyisellä mallilla, maan vesivarat voivat loppua vuoteen 2040 mennessä. Tämän välttämiseksi ja ratkaisujen tarjoamiseksi tavallisille maanviljelijöille AP008-projektissa ehdotetaan, että meteorologinen data, maan päällä olevien antureiden data ja droonin keräämä ilmadata yhdistetään vesistressin ennustemallin luomiseksi.

Kuva 6: Droonilla kerätystä datasta voidaan yhdessä muista lähteistä saadun datan kanssa luoda vesistressimalli, jota voidaan käyttää estämään (a) veden puutteesta johtuvia tuotannon menetyksiä, (b) liiallisen kastelun aiheuttamia maaperän ravinteiden menetyksiä, (c) kastelun huonoa säätelyä ja (d) maastopaloja. (Kuvan lähde: InnovateFPGA)

Muovijätteestä eroon pääseminen: Voisin jatkaa ja jatkaa, mutta kerron vielä yhdestä minua henkilökohtaisesti kiinnostavasta projektista: AP080 on pieni älykäs robotti, joka kulkee kaupunkien kaduilla paikantaen ja keräten muovijätettä kierrätystä varten. Tämä projekti on todella tärkeä, koska näen muovijätettä kaikkialla, minne nykyään menenkin (kuva 7).

Kuva 7: Ympäristön ei tarvitse näyttää tällaiselta, jos projekti AP080 herättää älykkään robottinsa henkiin. Vaikka projekti on alun perin suunnattu kaupunkien kaduille, se – tai muut vastaavat projektit – voivat lopulta helpottaa muovijätteiden muodostamaa vitsausta. (Kuvan lähde: The Nature Conservatory)

Kun olin lapsi ja vanhempani veivät minut lomalle, perheemme sääntönä oli, että rantapäivän jälkeen kaikki jätetään alkuperäistä siistimpään kuntoon. Tämä tarkoitti sitä, että keräsimme omien roskiemme lisäksi myös kaikki muut roskat, joita näimme lähistöllä. Minua kauhistuttaa, kun näen ihmisten pudottavan roskia kävellessään tai heittävän niitä auton ikkunasta. Tällaisia ihmisiä on vaikea saada lopettamaan, mutta heidän käyttäytymisensä aiheuttamaa haittaa vähentäisi se, jos meillä olisi tämän projektin kaltaisia robotteja, jotka siivoaisivat heidän jälkiään.

Pelottavaa on se, että niin mielenkiintoisia ja monipuolisia kuin tässä esitellyt esimerkkiprojektit ovatkin, emme ole vielä edes raapaisseet pintaa kaikista mahdollisuuksista, joita tähän kilpailuun jätetyt ehdotukset tarjoavat. Jo pelkkä projektien läpikäynti korkealla tasolla sai minut jatkuvasti huudahtamaan ”Ooh, loistavaa!” ja sukeltamaan syvemmälle. Itse asiassa aion mennä takaisin uimaan niiden pariin heti, kun olen kirjoittanut tämän kolumnin loppuun.

Yhteenveto

Kaikki InnovateFPGA 2021–22 -suunnittelukilpailun osallistujaprojektit on vastaanotettu. Tiimit työskentelevät nyt kiivaasti projektiensa parissa tähtäimessään maaliskuussa 2022 järjestettävät alueelliset finaalit ja kesäkuussa 2022 järjestettävä suuri finaali. En tiedä sinusta, mutta minä en ainakaan malta odottaa, että saan nähdä tämän ajankohtaisen ja ajatuksia herättävän haasteen tulokset.