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Realtà aumentata per la e-scienza

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FUTURO – Possiamo aggirarci nel nostro cervello, camminare su Marte o vedere un virus da vicino. Videogioco o scienza? Entrambi. Si tratta di un sistema di realtà virtuale che permette di vedere in 3D e muoversi in qualsiasi “ambiente scientifico”, sia esso un cervello umano sia un sito archeologico, utilizzando non l’invenzione, ma dati provenienti da Istituti di ricerca come la Nasa, e da esami diagnostici tipici delle neuroscienze come la risonanza magnetica. Il sistema si chiama CAVE 2 ed è stato sviluppato dai ricercatori dell’Electronic Visualization Laboratory (EVL) dell’Università dell’Illinois a Chicago (UIC). Tra di loro anche un italiano, Alessandro Febretti: ora assistente ricercatore e dottorando, è partito per uno scambio tra Politecnico di Milano e UIC, per poi restare dedicandosi alla messa a punto di questo sistema utile ad altri scienziati, a medici e studiosi.

Lo “strumento” è costituito da 72 pannelli LCD immersivi che formano un cilindro alto 2.6 metri e con un diametro di più di 6 metri: per comprendere la portata di questa realtà aumentata basta osservare le foto, la precisione dell’immagine e la proporzione con lo scienziato che la utilizza. Una delle applicazioni vede come protagonisti i neurochirurghi del College of Medicine della UIC che hanno sfruttato il potenziale dello schermo di CAVE2 per creare un ambiente virtuale, in dimensioni esagerate, che ricreasse la struttura anatomica del cervello, in modo da risolvere alcuni problemi riscontrati nelle arterie cerebrali di pazienti del tutto reali. La risoluzione dei normali computer e sistemi di visualizzazione diagnostica non era infatti sufficiente per comprendere appieno alcune delle strutture più interne. CAVE 2 invece permette di andare a studiare con precisione tutto ciò che risulta troppo piccolo, troppo intricato, nascosto o pericoloso, utilizzando i dati di pazienti o ambienti reali.

La storia di CAVE 2 e della realtà aumentata è complessa e lunga: è iniziata più di vent’anni prima rispetto al suo predecessore, ha un ambiente virtuale tre volte più grande, è circa 60 volte più luminoso, e ha una capacità di archiviazione superiore di almeno 22 mila volte. Recentemente l’ultima versione del sistema immersivo è stata portata anche in Australia. Grazie a una collaborazione con la Monash University di Melbourne, è stato possibile portare l’esperimento Cave 2 tra i ricercatori di questa università.

Abbiamo fatto alcune domande all’unico italiano del progetto, Alessandro Febretti, per capire il backstage di questo teatro scientifico

Qual è stato il tuo ruolo nella messa a punto di Cave 2?

Ho lavorato al software, il ‘motore’ che fa funzionare la macchina. In particolare mi sono occupato di grafica, di gestire l’interazione tra strumento e utente e di scrivere il codice che coordina l’esecuzione dei 36 computer che fanno funzionare CAVE2

Quali criticità avete riscontrato?

Durante il design, abbiamo scoperto che gli schermi a cristalli liquidi normalmente in commercio non avrebbero funzionato in un sistema come il nostro. In particolare, dalle nostre simulazioni abbiamo visto che l’effetto stereoscopico (che permette di vedere in 3D indossando gli occhialini) non avrebbe funzionato per i display posizionati molto più in alto o in basso rispetto agli occhi dell’utente. Per risolvere questo problema abbiamo lavorato con il produttore degli schermi per modificare l’hardware dei display e aggiustare il filtro polarizzatore in base alle nostre specifiche. Lavorare con una compagnia che ci ha permesso questo livello di controllo sui display è stato fondamentale.

La soddisfazione che ricordi maggiormente?

In EVL cerchiamo di coinvolgere il resto della comunità con la nostra tecnologia. Una delle attività a cui partecipiamo si chiama SPARK: i ragazzi delle scuole medie e superiori di zone disagiate della città vengono associati a dei mentori che li seguono settimanalmente e creano un progetto con loro. Questo è il mio secondo anno come mentore per SPARK, e una delle soddisfazioni maggiori è vedere questi studenti appassionarsi al lavoro che facciamo e pensare che questa potrebbe essere una carriera per il loro futuro. Qualche settimana fa uno dei miei studenti delle medie dopo aver visitato CAVE2 ha cominciato a pensare in quale high school andare per poter lavorare da noi e mi ha detto “se potessi verrei a vivere qui”.

Qual è l’applicazione più utile e anche più “sfruttata” di Cave 2?

Lavoriamo tanto con ricercatori in neuroscienze per visualizzare strutture complesse del cervello, come la sua vascolarizzazione o la mappa delle connessioni del cervello, detta connettoma, che uno dei nostri collaboratori sta studiando per interpretare i meccanismi alla base della depressione. Un’altra applicazione di successo è nata da una collaborazione finanziata dalla NASA, per la quale abbiamo creato una mappa 3D di un lago in Antartide, esplorato da un robot subacqueo. Questa mappa è formata da 200 milioni di punti in 3 dimensioni, ed è molto difficile da esplorare su un piccolo schermo. In CAVE2 abbiamo potuto riprodurre questa mappa in scala 1:1, e i ricercatori che hanno lavorato in Antartide sono riusciti a esplorare di nuovo il lago e a effettuare misure come se si trovassero ancora lì. L’obiettivo a lungo termine di questo progetto è create un robot da spedire su una delle lune di Giove (Europa) per sondare l’oceano sotto la superficie ghiacciata della luna, potenzialmente in cerca di vita. Un sistema come CAVE2  può essere utilizzato per permettere ai ricercatori di vedere quello che il robot vede, in maniera completamente immersiva.

Quali sono i costi di un progetto del genere?

In termini di tempo, il design (software/hardware) è durato due anni. La costruzione della macchina 2-3 mesi. In denaro invece parliamo di un milione di dollari circa. Non è  poco, ma è circa la metà rispetto ai sistemi basati su proiettori esistenti e utilizzati in passato. Abbiamo concesso la licenza della tecnologia CAVE2 a una compagnia che ora si occupa direttamente dell’installazione di altri sistemi come il nostro. Ne hanno costruito uno in Australia (leggermente più grande del nostro) per  circa 1.5milioni di dollari, e sono in trattativa per costruirne un altro per un’agenzia governativa cinese.

Con quali professionalità ti sei trovato a lavorare e cosa hai imparato e insegnato in questa interazione?

Il lavoro di progettazione e costruzione coinvolge un team con professionalità diverse ma è  semplice collaborare perché come ingegneri e computer scientist parliamo tutti la stessa lingua. Le cose diventano molto più interessanti quando cominciamo a creare applicazioni per il sistema e dobbiamo lavorare in team multidisciplinari, con ricercatori che lavorano in campi molto diversi fra loro (neuroscienze, chimica, scienze ambientali, architettura). Penso che in tanti, quando pensano a un ingegnere o un ricercatore in informatica si immaginano qualcuno che se ne sta solo a scrivere codice su un computer tutto il giorno: in realtà per me è fondamentale collaborare, parlare e soprattutto capire i problemi e le necessità  degli altri. Capire cosa passa nella testa degli altri è la parte più divertente di questo lavoro. Inoltre trovo affascinante poter entrare nel mondo nuovo e diverso di un gruppo di ricerca che non sia il tuo, mi ci avvicino con curiosità per capirlo. Una delle sfide maggiori quando mi relaziono con ricercatori di altri campi è quella di trasmettere il grado di difficoltà reale che incontro a realizzare una delle loro idee in un programma o una visualizzazione: a volte un problema che per un ricercatore è banale per te è quasi impossibile da realizzare tecnicamente in un programma. In altri casi viceversa i tuoi collaboratori si stupiscono di quanto rapidamente hai risolto un problema o creato un programma che per loro fa qualcosa di molto complesso (e naturalmente eviti di dire loro quanto sia stato facile).

Crediti immagini: Electronic Visualization Laboratory

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