Robotica evolutiva: stato dell'arte e sviluppi futuri

Le azioni che un robot dovrà intraprendere per riuscire a portare a termine un determinato task non sono sempre note a priori. In situazioni dove l’ambiente in cui il robot si muove e con cui interagisce risulta impredicibile, variabile o persino ignoto, diventa pressocché impossibile progettare un algoritmo universale, che tenga conto di tutte le possibili variabili, avvalendosi dei metodi classici di programmazione e design. La Robotica Evolutiva (ER) è una branca della Computazione Evolutiva (EC) che si occupa di risolvere questo problema avvalendosi di specifici Algoritmi Evolutivi (EA) applicati alla robotica. Gli utilizzi della Robotica Evolutiva sono molteplici e spaziano dalla ricerca di soluzioni per problemi/task complessi allo studio e alla riproduzione di fenomeni fisiologici e biologici per riuscire a comprendere (o ipotizzare) l’evoluzione di alcuni tratti genetici presenti nel genere animale/umano. Lo scopo di questo elaborato è di predisporre una base, una visione generale per chiunque voglia intraprendere studi approfonditi nella Robotica Evolutiva, esaminando lo stato attuale delle sperimentazioni, gli obiettivi raggiunti e le sfide che ogni ricercatore di ER deve affrontare ogni giorno per riuscire portare questo campo di studi nel mondo reale, fuori dall’ambiente simulato e ideale.

Un distributore intelligente di bevande alla spina con sistema di pagamento basato su Bitcoin

I distributori automatici sono attualmente molto diffusi perché permettono di automatizzare l'erogazione di un prodotto o servizio senza la necessità di avere una persona addetta a quello scopo. Questa tesi si pone l'obiettivo di progettare e sviluppare un’applicazione per sistemi embedded Linux che consenta agli utenti di richiedere, in modo autonomo, il pagamento tramite Bitcoin con la successiva erogazione di bevande alla spina.

Sviluppo di un sistema di misura ottico per la valutazione accurata del volume ematico durante il trattamento emodialitico.

L’insufficienza renale cronica è una malattia di grande impatto sulla sanità pubblica. Il punto di approdo per la maggior parte dei pazienti, alternativo al trapianto renale, è il trattamento dialitico che rappresenta una cura ad alto costo sia sociale che economico. Il rene artificiale è il dispositivo attraverso il quale si effettua la terapia, ed è frutto di un costante sviluppo che mira a sostituire la funzione renale in quanto sottosistema dell’organismo umano. Per questo è sempre più importante dotarlo di un adeguato set di sensori che permettano di monitorare l’efficacia del trattamento. L’emodialisi prevede la rimozione dei liquidi in eccesso accumulati nel periodo che intercorre tra due trattamenti successivi, per questo un parametro molto importante da monitorare è la variazione relativa del volume ematico (RBV, Relative Blood Volume Variation). A questo scopo gli attuali dispositivi per dialisi in commercio utilizzano tecnologie ad ultrasuoni o ottiche: è stata però recentemente evidenziata la sensibilità indesiderata di questa seconda tecnica ai cambiamenti di osmolarità del sangue sotto analisi. Lo studio presentato in questa tesi è volto a migliorare l’accuratezza con la quale effettuare la stima del RBV nel corso del trattamento dialitico, attraverso un sistema di misura ottico sperimentale. Il prototipo realizzato prevede di aumentare le informazioni raccolte sia aumentando la distribuzione spaziale dei sensori ottici che allargando la banda di lunghezze d’onda alla quale i dati vengono acquisiti. La stima del RBV è gestita attraverso algoritmi basati sulle combinazioni lineari, sulle reti neurali e su modelli autoregressivi.

Sistema di guida robot per operazioni di pick and place

Uno dei fattori che ha favorito la diffusione della robotica è legato alla nascita, allo sviluppo e al perfezionamento dei sistemi di guida robot. Per guida robot si intende un sistema di visione artificiale capace di guidare un robot durante lo svolgimento di un determinato compito. All'interno di questo elaborato di tesi, verrà illustrato in dettaglio un sistema di guida robot realizzato per una operazione di pick and place 2D multistrato. Sebbene la procedura proposta sia stata sviluppata per risolvere un problema specifico, la sua validità è del tutto generale e può essere estesa anche ad altre applicazioni appartenenti alla stessa categoria.

Sviluppo di un sistema di riconoscimento di stenosi coronariche non gravi.

L’Intelligenza Artificiale è un campo dell’informatica che da tempo si afferma come valido strumento alternativo per la risoluzione di problemi tipicamente riservati esclusivamente all’intelletto umano. Se in principio gli algoritmi sfruttati nel campo dell’Intelligenza Artificiale erano basati su insiemi di regole codificate da esperti del dominio di applicazione dell’algoritmo, con l’arrivo del secondo millennio questo approccio è stato superato in favore di algoritmi che sfruttano grandi quantità di dati ed elevata potenza di calcolo per fare scelte ottimali. Un esempio di questo approccio può essere Deep Blue, che nel 1996, anche grazie ad un database di 4mila aperture e un’architettura che permetteva 11 GFLOPS fu la prima macchina a vincere una partita a scacchi contro un grande maestro. Col passare degli anni, l’aumentare degli investimenti e della ricerca, questo approccio ha portato alla strutturazione del campo dell’Apprendimento Automatico (Machine Learning, in inglese) dal quale sono scaturiti numerosi avanzamenti che hanno influenzato una moltitudine di ambiti: dall’agricoltura di precisione alla traduzione automatica, dal riconoscimento di frodi con carte di credito alla farmaceutica, dal marketing alla visione artificiale e molti altri, inclusa la medicina. Questo lavoro si concentra su proprio questioni relative al campo della medicina. In particolare si occupa di provare a riconoscere se le stenosi coronariche di un paziente sono gravi o meno attraverso l’uso di angiografie coronariche invasive e tomografie coronariche angiografiche; in maniera da diminuire delle angiografie coronariche invasive effettuate su pazienti che non ne hanno davvero bisogno.

Analisi sperimentale di un sistema di localizzazione UWB per applicazioni robotiche

Data la pervasività dell’elettronica nella vita moderna, sempre più interesse è stato posto nelle applicazioni di localizzazione. In ambienti indoor e outdoor, dove sono richieste precisioni dell’ordine delle decine di centimetri, i classici servizi GNSS non sono applicabili. Una tecnologia promettente è quella a banda ultra-larga (UWB), affermata recentemente sul mercato. Un’alternativa potrebbe essere l’utilizzo di sensori ottici con marker di riferimento, però la presenza di fumo e idrometeore presenti nell’ambiente potrebbero andare ad oscurare i marker, rendendo impossibile la localizzazione. Lo scopo della tesi è volto a studiare un sistema di localizzazione UWB, progettato dall’Università di Bologna, ora sviluppato e commercializzato, in un’applicazione robotica. In particolare, l’idea è quella di porre il sistema di localizzazione sopra un elemento mobile, per esempio nella parte terminale di un braccio meccanico, al fine di localizzare un oggetto dotato di nodo UWB, ricavando dinamicamente la posizione relativa tra il braccio e l’oggetto. La tesi si concentra inizialmente a livello teorico sulle caratteristiche delle principali tecnologie coinvolte, in particolare i sistemi UWB e il filtraggio Bayesiano, per poi trattare i limiti teorici della localizzazione, nei concetti di Cramér-Rao lower bound (CRLB) e geometric dilution of precision (GDOP). Da questi, si motiva l’utilizzo della tecnica two-way ranging (TWR) come principio di raccolta delle misure per la localizzazione, per poi ricavare le curve teoriche dell’errore di localizzazione, tenendo conto dei limiti geometrici imposti, utilizzate come riferimento per l’analisi dell’errore ottenuto con il sistema reale. La tecnologia viene testata in tre campagne di misura. Nelle prime due si osserva la presenza di un piano metallico parallelo alla direzione di propagazione, per esaminare gli effetti delle riflessioni sulla localizzazione, mentre nella terza campagna si considera la presenza di acqua dolce.

La gestione degli interventi di manutenzione preventiva negli impianti automatici

La manutenzione è attualmente considerata un servizio volto a preservare costantemente inalterata l’efficienza e la sicurezza di macchinari e impianti, senza per questo trascurare le esigenze di qualità, di risparmio energetico e di sicurezza. Gli obiettivi del presente lavoro sono quelli di analizzare le modalità con cui vengono forniti alcuni dati a supporto della manutenzione di un impianto industriale in una applicazione esistente, di analizzarle per rilevarne le criticità ed infine proporre ed implementare alcune modifiche migliorative. Per raggiungere tale risultato verrà presentato il caso di Righi Group SPA, società fornitrice di quadri elettrici e software per impianti automatici. Partendo dall’analisi di un progetto recentemente realizzato verranno effettuate alcune osservazioni e proposte che mostreranno in che modo sia possibile (tramite implementazioni software ed alcune eventuali modifiche hardware) sviluppare un evoluto sistema di raccolta ed elaborazione dati per gettare le basi ad un progetto di manutenzione preventiva.

Caratterizzazione di un sistema di veto per un rilvelatore di neutroni nell'ambito dell'esperimento FOOT

L’adroterapia è un tipo di terapia oncologica in cui il tumore è irraggiato con particelle cariche (adroni) quali protoni e ioni carbonio. Il vantaggio principale rispetto alla radioterapia convenzionale a raggi X consiste nel fatto che l’irraggiamento con adroni non coinvolge i tessuti sani circostanti quelli malati. Tuttavia, si conosce ancora poco sui processi di frammentazione nucleare che avvengono tra gli adroni del fascio usato nel trattamento e i nuclei presenti nel corpo umano. Così, nel 2017 nasce l’esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) con lo scopo di misurare le sezioni d’urto differenziali dei frammenti nucleari prodotti nell’interazione a energie di 200-400 MeV/u (tipicamente impiegate in adroterapia). Attualmente l’apparato sperimentale di FOOT è in grado di compiere misure accurate solo per frammenti carichi, ma nell’ultimo anno si è cominciata ad esplorare la possibilità di rivelare anche i neutroni. Per questa operazione è necessario servirsi di scintillatori liquidi affiancati ad un sistema di veto costituito da scintillatori plastici sottili accoppiati a sensori che segnalano il passaggio di eventuali frammenti carichi. In una precedente campagna di misure con la collaborazione FOOT, si sono utilizzati come sensori dei tubi fotomoltiplicatori (PMT). Per migliorare le prestazioni del sistema di veto si è reso necessario l’utilizzo di scintillatori plastici veloci, letti da sensori fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). In questa tesi mi sono occupato della risoluzione temporale dei segnali acquisiti con scintillatori plastici EJ-204 di 3 mm di spessore, letti da SiPM SenseL®.

Progettazione di un sistema per la configurazione centralizzata di intrusion detection system

Il rilevamento di intrusioni nel contesto delle pratiche di Network Security Monitoring è il processo attraverso cui, passando per la raccolta e l'analisi di dati prodotti da una o più fonti di varia natura, (p.e. copie del traffico di rete, copie dei log degli applicativi/servizi, etc..) vengono identificati, correlati e analizzati eventi di sicurezza con l'obiettivo di rilevare potenziali tenativi di compromissione al fine di proteggere l'asset tecnologico all'interno di una data infrastruttura di rete. Questo processo è il prodotto di una combinazione di hardware, software e fattore umano. Spetta a quest'ultimo nello specifico il compito più arduo, ovvero quello di restare al passo con una realtà in continua crescita ed estremamente dinamica: il crimine informatico. Spetta all'analista filtrare e analizzare le informazioni raccolte in merito per contestualizzarle successivamente all'interno della realta che intende proteggere, con il fine ultimo di arricchire e perfezionare le logiche di rilevamento implementate sui sistemi utilizzati. È necessario comprendere come il mantenimento e l'aggiornamento di questi sistemi sia un'attività che segue l'evolversi delle tecnologie e delle strategie di attacco. Un suo svolgimento efficacie ed efficiente risulta di primaria importanza per consentire agli analisti di focalizzare le proprie risorse sulle attività di investigazione di eventi di sicurezza, ricerca e aggiornamento delle logiche di rilevamento, minimizzando quelle ripetitive, "time consuming", e potenzialmente automatizzabili. Questa tesi ha come obiettivo quello di presentare un possibile approccio ad una gestione automatizzata e centralizzata di sistemi per il rilevamento delle intrusioni, ponendo particolare attenzione alle tecnologie IDS presenti sul panorama open source oltre a rapportare tra loro gli aspetti di scalabilità e personalizzazione che ci si trova ad affrontare quando la gestione viene estesa ad infrastrutture di rete eterogenee e distribuite.