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Industria 4.0 – Spatial computing: che cos’è la tecnologia per la visualizzazione dinamica e real-time di interi ambienti industriali

La realtà aumentata su scala architettonica: ecco che cosa si ottiene quando nell’industria si combinano le tecnologie che accelerano la digitalizzazione. Product life management (Plm), realtà aumentata (Ar), cloud per il software as a service (SaaS), intelligenza artificiale (Ai), Internet of Things Industriale (IoT, IIoT) e computer aided design (Cad) si sa, si potenziano già sinergicamente quando utilizzate nelle combinazioni dettate da ogni singolo caso d’uso.

Ora un filone di ricerca e applicativo, che sfrutta anche la maturazione della visione artificiale di profondità e dei sensori, le combina tutte o, meglio, ne trae le funzionalità per produrre lo spatial computing. Nell’industria, è il grande salto da applicazioni ormai utilizzate diffusamente dai consumatori quali il GPS, Google Maps, Pokémon Go o i sistemi per la condivisione di mezzi di trasporto (sharing) o per far volare i droni.

Con lo spatial computing si visualizza in tempo reale e in 3D un modello dinamico di prodotti, spazi industriali e addetti e tutte le loro interazioni. In altre parole, è la capacità di virtualizzare o digitalizzare le relazioni nello spazio tra macchine, persone, oggetti e ambienti.

Chi gestisce fabbriche o magazzini sa bene quanto gli studi sui tempi e sui movimenti delle macchine e dei materiali, tra gli altri tanti fattori, siano cruciali per ottimizzare in spazi dinamici i flussi di lavoro e gli spostamenti di centinaia o migliaia di persone, macchine e oggetti – e sa altrettanto bene quanto ricavare strategie per l’ambiente reale, che è 3D , da rapporti in 2D (grafici e fogli di calcolo) sia un processo lento. E ciò senza cominciare a considerare il tempo necessario per la restituzione dell’analisi dei dati al plant e agli operativi.

“Le telecamere a sensori di profondità che mostrano uno spazio tale come lo vediamo, per es., come per una visita virtuale a una casa in vendita, sono ormai diffuse. Il fatto è che questa stessa tecnologia è ottima anche per catturare modelli 3D di fabbriche e plant”, spiega Jim Heppelmann, il ceo di Ptc.

“Nella nostra visione, Iot, Ai, e Ar si combinano con la nostra lunga specializzazione nel disegno e lavoro collaborativo in 3D dandoci la possibilità di creare dei digital twin che colgono e capiscono ogni dimensione di un prodotto, processo, addetto e luogo, e di utilizzare la realtà virtuale (Vr) per ‘tornarci’ quando vogliamo,” spiega Heppelmann, che ha introdotto lo spatial computing al loro Liveworx a ottobre 2020.

Appoggiare l’elaborazione con analytics alle informazioni raccolte in tempo reale e in 3D fa la differenza quando si tratta di prendere decisioni informate ed efficaci sull’ottimizzazione dei processi, dei prodotti e del lavoro degli addetti, è il messaggio alle aziende dei ricercatori: “Applicando l’intelligenza artificiale all’IoT e alla realtà aumentata in ogni dimensione e ogni combinazione, quindi eseguendo spatial computing, possiamo monitorare e ottimizzare interi luoghi di lavoro”.

Tra i benefici di questa visualizzazione granulare, dinamica e in tempo reale di ogni istanza dei processi ci sono:

  • la gestione della complessità, come nel caso dell’”effetto Amazon” nei loro magazzini dove si spostano decine di migliaia di oggetti al giorno in sincronia con robot e operatori;
  • semplificazione dell’operatività perché individua con feedback immediato oggetti in ambienti non familiari – per es. nella manutenzione remota – oppure oggetti nascosti agli operatori;
  • riduzione dei tempi perché permette di riprogrammare i robot sul posto, con fermi ridotti e senza conoscenze ingegneristiche;
  • incrementata sicurezza, un aspetto essenziale tanto più che il numero dei robot presenti in un plant aumenta in continuazione: dà la possibilità di rilevare e comunicare in tempo reale cambiamenti che pongono nuovi rischi, come spostamenti improvvisi di carichi o fermi di carrelli o di linee o cambiamenti dei percorsi di evacuazione di emergenza;
  • altrettanto importante, punta l’attenzione all’ergonomia e all’efficacia dei movimenti degli addetti per migliorare il loro benessere e sicurezza.

In altre parole, lo spatial computing è la possibilità di produrre un digital twin letteralmente di ogni processo produttivo, di re-esperimentarlo in ogni momento con la realtà virtuale e di trarne conclusioni nel più breve tempo possibile – e sarà tanto più così quando si conterà sulla disponibilità delle reti 5G.

Il termine spatial computing fu coniato da Simon Greenwold al Mit Media Lab nella sua tesi alquanto futuristica del 2003. La concretizzazione delle sue idee è stata possibile però solo ora grazie all’avanzamento delle telecamere a sensori di profondità, l’IoT, l’Ar e la computer vision, tra le altre.

Dal Media Lab Mit proviene anche Valentin Heun, che ora regna sul 17° piano di un edificio che si affaccia sulla baia di Boston e potrebbe essere il set di un qualche crime lab televisivo. Dalla Bauhaus Universität all’Mit, passando da numerosi premi per le sue ricerche, Heun è oggi vice presidente di ingegneristica innovativa del Ptc Reality Lab.

Il boom che si prevede per lo spatial computing è spinto anche dalla grande quantità di nuove applicazioni che emergono in ambito non industriale. Tra queste, quelle per il gaming con realtà mista, virtuale o aumentata o i vari tipi di esperienza immersiva iperrealistica

Sul lato hardware, il circolo di crescita lo innesca anche la capacità di percepire lo spazio che ormai hanno molti smartphone sofisticati. È il caso del LiDar nell’iPhone 12 Pro, la stessa tecnologia che montano le auto a guida autonoma. No da meno sono altri device a grande diffusione tra i consumatori quali certi wearable come gli occhiali con capacità Ar – vedi Bose Frames o North Focals – che combinati allo smartphone potrebbero cambiare, anticipa chi li promuove, l’architettura del computing in un futuro non tanto distante.

Le caratteristiche delle fotocamere di alcuni smartphone sono state lo stimolo per numerose applicazioni Ar per l’addestramento e la manutenzione remoti in vari comparti, dall’istruzione alla sanità, all’industria pesante – in molti casi in combinazione con altri device Ar che liberano le mani come l’HoloLens 2 di Microsoft per la prima linea in ospedali o servizi analoghi. Ciò a sua volta spinge verso maggiori prestazioni e qualità nelle fotocamere (per profondità e grandangolo), e così via.

Nel video, Anna Fusté, un ingegnere Ptc, e il suo robot Lego conosco entrambi lo spazio fisico dell’appartamento. Anna controlla i movimenti del robot dal cellulare premendo un bottone virtuale nello spazio. Per riprogrammare il percorso, Anna deve semplicemente spostarlo nell’interfaccia Ar senza la riprogrammazione tradizionale e il corrispondente tempo di fermo. Con Anna, il Vuforia Spatial Toolbox comunica tramite la sua vista e udito, con il robottino, tramite una connessione wireless IoT basata in sostanza su coordinate x, y, z.

Nell’industria, l’ottimizzazione del lavoro ha fatto una lunga strada: dal taylorismo a un contesto e a esigenze non negoziabili tra cui la sicurezza e il benessere degli operatori – rispetto ai quali, per es., ora lo spatial computing può rilevare movimenti troppo gravosi o inutili per peso, dimensioni o percorso, ecc., per una orchestrazione più razionale del lavoro basata su un’analisi scientifica dei processi. A qualcuno queste potenzialità ricordano il J.A.R.V.I.S. di Tony Starck in Iron Man, che raccoglie i dati per aiutarlo a decidere come agire.

Quanto all’efficientamento, Amazon mostra quale differenza fa un magazzino, un plant o un processo dove non ci sono a sorpresa colli di bottiglia. Tra le big che hanno adottato intanto l’Ar ci sono Bwm, Volvo, Mercedes Benz e Mitsubishi nell’automotive ed Airbus, Nasa, Lockheed ed Us Air Force nell’aerospaziale.

A soluzioni di spatial computing lavora un pugno di aziende, tra cui anche Siemens e Dassault Systèmes, ma Ptc è avanti perché l’ha semplificata per l’industria nel primo prodotto open source e chiavi in mano. L’obiettivo è aiutare i ricercatori delle imprese a cominciare a sperimentare e a creare applicazioni per i propri casi d’uso.

“Che fosse open source era fondamentale”, spiegano al Reality Lab, perché per catturare appieno le possibilità di questa incredibile innovazione nell’attuale situazione ci vuole un intero ecosistema d’innovazione“, commenta Heppelmann. “Bisogna imparare dal 2020 per un migliore 2021. In molti dipartimenti si è potuto passare da un giorno all’altro al lavoro da remoto. Non così, per esempio, nello sviluppo prodotto, perché applicazioni software cruciali come quelle del Cad o del Plm stavano nei server in uffici diventati inaccessibili causa covid”, dice Heppelmann, la cui azienda aveva già acquisito Onshape e Arena Solutions ed era pronta già all’inizio della pandemia a proporre all’industria il software as a service, SaaS.

Nella strada verso lo spatial computing un primo passo poco impegnativo è la realtà aumentata. Secondo Stacey Soohoo, ricercatore capo di Customer Insights & Analysis di Idc, “il 2020 è stato un punto di svolta che ha fatto capire alle imprese in ogni settore la necessità chiara e lineare di adottare la realtà aumentata, quella mista e quella virtuale”. Idc prevede che entro il 2024 le aziende manifatturiere spendano in queste tecnologie circa 11 miliardi di dollari l’altro, o, secondo Reportlinker.com, una crescita dai 15,3 miliardi di dollari del 2020 a 77 miliardi nel 2025.

“Abbiamo assistito un boom di adozione dell’Ar e della Vr a causa della pandemia”, spiega Tom Mainelli, vice presidente del gruppo Devices and Consumer Research di Idc, “da parte di imprese di ogni dimensione che hanno bisogno di trasferire conoscenza dai lavoratori anziani e quelli nuovi, migliorare le operazioni sul campo e aumentare la collaborazione tra gli operatori in prima linea”.

Heun al Reality Lab spiega che per molti lo spatial computing è ancora nel futuro, mentre a suo avviso non ci vorrà molto perché diventi semplicemente un’altra tipologia di computing.

Per avvicinare tutti, addetti ed ingegneri a questa idea, al concetto e alla ricerca del loro laboratorio sperimentale, con il suo gruppo hanno pensato a un fumetto, anzi, a due volumi: Vision Comic Book Volume I e Volume II: Spatial Computing.