Concurso InnovateFPGA 2021: Designers criativos nos mostram como enfrentar a sustentabilidade

Não sei quanto a você, mas estou cada vez mais preocupado com nosso futuro coletivo. Ouvimos muito o termo "sustentabilidade" hoje em dia, mas o que isso realmente significa? Bem, uma maneira de ver isso é que a sustentabilidade se refere à capacidade dos seres humanos e da biosfera da Terra de coexistir. Em Nosso Futuro Comum, também conhecido como Relatório Brundtland, publicado pelas Nações Unidas em outubro de 1987, a sustentabilidade foi definida de forma um tanto pungente como "...satisfazer as necessidades da geração atual sem comprometer a capacidade das gerações futuras de satisfazer suas necessidades".

Nossa capacidade de alcançar a sustentabilidade é desafiada pelo crescimento populacional e pelo uso ineficiente dos recursos disponíveis. Em reconhecimento a isto, o tema do Concurso de Design InnovateFPGA 2021-22 — lançado pela Terasic, trabalhando com a Intel, Analog Devices Inc. (ADI) e Microsoft — é "Conectando a borda para um futuro sustentável (aplicando tecnologia para enfrentar os desafios globais)".

O objetivo da competição é inspirar e criar soluções sustentáveis que reduzam nosso impacto ambiental. Vamos dar uma olhada em algumas das idéias: elas certamente o farão pensar sobre o que você pode fazer.

A batalha da população contra os recursos

Uma das coisas que afeta negativamente a sustentabilidade é o número de pessoas no planeta. Considere as famosas Pirâmides de Gizé, por exemplo, que foram construídas a cerca de 2550 a 2490 a.C. Isso foi há apenas cerca de 4.500 anos atrás, quando escrevo estas palavras. Naqueles tempos, havia apenas cerca de 20 milhões de pessoas no planeta. Em comparação, no momento em que este texto foi escrito, estima-se que sejamos 7,9 bilhões, e este número deverá aumentar para 8,5 bilhões até 2030¹, 9,2 bilhões até 2040² e quase 10 bilhões até 2050³.

Do lado positivo, uma das coisas que podem afetar positivamente a sustentabilidade é nossa capacidade de conceber e implementar soluções sociais e tecnológicas para nossos problemas.

Eu adoro ficção científica e fantasia científica. Como jovem no final dos anos 60 e início dos anos 70, lembro-me de ler o romance de ficção científica de 1952 The Rolling Stones (também publicado sob o nome Space Family Stone no Reino Unido) pelo autor americano de ficção científica, engenheiro aeronáutico e oficial naval Robert Anson Heinlein. Neste conto, a família Stone, residente na Lua, compra e reconstrói uma nave espacial usada e faz uma visita turística ao redor do sistema solar. Como parte disto, eles visitam o cinturão de asteróides onde está em andamento o equivalente da Corrida do Ouro da Califórnia (1848-1855), com mineiros de asteróides prospectando vários materiais, incluindo minérios radioativos.

Embora isto ainda pareça ser assunto de ficção científica para muitas pessoas, é interessante notar que, tão recentemente quanto 2017, a Escola de Minas do Colorado lançou um programa de pós-graduação multidisciplinar oferecendo Certificado de Pós-Bacalaureate, Mestrado e Ph.D.em mineração de asteróides (eles a chamam de "Recursos Espaciais", mas não estão enganando ninguém — sabemos o que significam).

O problema é que a Terra é um sistema fechado. Há uma quantidade limitada de material disponível. O que temos hoje é o que vamos ter amanhã e depois de amanhã. Embora se fale seriamente em matérias-primas de mineração (por exemplo, ferro, níquel, irídio, paládio, platina, ouro, magnésio e, possivelmente, água) da Lua, objetos próximos à Terra e asteróides, estima-se que isso será feito no mínimo 20 anos no futuro. Mesmo quando isso acontecer, o custo em termos de energia, tempo e recursos para devolver esses materiais à Terra significa que suas quantidades serão minúsculas no esquema das coisas por muitos anos. O resultado final é que não podemos esperar receber quantidades significativas de matérias-primas adicionais num futuro próximo, portanto, é preciso que façamos o melhor uso possível do que temos.

Virando a maré: O Concurso de Design InnovateFPGA 2021-22

Inspirado pelas questões e necessidades identificadas por organizações como o Programa de Pequenas Doações do Fundo Global para o Meio Ambiente (GEF), que é implementado pelo Fundo de Desenvolvimento das Nações Unidas (UNDF), tudo isso nos leva ao Concurso de Design InnovateFPGA (Figura 1).

Figura 1: Uma das coisas que podem afetar positivamente a sustentabilidade é nossa capacidade de conceber e implementar soluções sociais e tecnológicas para nossos problemas. (Fonte da imagem: DigiKey)

Elevando ao desafio da sustentabilidade, Terasic, Intel, ADI e Microsoft lançaram o atual Concurso de Design InnovateFPGA 2021-22, que enfatiza o uso inteligente de FPGAs na borda para reduzir a demanda dos recursos da Terra.

Os FPGAs são particularmente úteis para esta aplicação, pois são flexíveis e reconfiguráveis. Além disso, muitos dos projetos deste concurso são baseados no uso de algoritmos sofisticados, como inteligência artificial (IA) e sistema de visão (MV), que requerem grandes quantidades de computação. Um tecido programável do FPGA pode ser configurado para implementar operações de forma maciçamente paralela, permitindo-lhes assim realizar algoritmos computacionais intensivos localmente em tempo real enquanto consomem relativamente pouca energia.

Os competidores foram convidados a se inscreverem como equipes formadas por uma a três pessoas localizadas dentro da mesma área geográfica. Estas equipes foram convidadas a utilizar um kit FPGA de conectividade à nuvem P0685 DE10-Nano da Terasic, que é baseado na combinação do extremamente popular kit DE10-Nano P0496 e uma placa-filha P0499 RFS (Figura 2).

O DE10 Nano é baseado em um Intel Cyclone V SE FPGA aumentado por 1 gigabyte (Gbyte) de DDR3 SDRAM, uma barra de pinos de expansão para Arduino (compatível com Uno R3), saída HDMI Full-HD, UART-para-USB, uma porta USB OTG (On-the-Go), um soquete para cartão Micro SD, Ethernet Gigabit e barra de pinos GPIO. O FPGA Cyclone V SoC (system-on-chip) apresenta a combinação de tecido programável (110.000 elementos lógicos (LEs)) e dois núcleos de processadores de 32 bits Arm® Cortex®-A9.

Figura 2: O Kit FPGA de conectividade à nuvem combina as ricas características e versatilidade de um FPGA Intel Cyclone V SoC com os benefícios da conectividade em nuvem. Sensores adicionais podem ser conectados por meio das barras de pinos compatíveis com Arduino ou da barra de pinos QuikEval da ADI. (Fonte da imagem: Terasic)

Enquanto isso, a placa-filha RFS adiciona comunicação Wi-Fi e Bluetooth, bem como uma ampla gama de sensores como um acelerômetro de nove eixos, giroscópio e magnetômetro, além de sensores de luz ambiente, temperatura e umidade.

Naturalmente, por mais poderoso que seja, o kit FPGA de conectividade à nuvem DE10-Nano é de uso limitado por si só. "Nenhum homem é uma ilha", como o famoso poeta inglês John Donne escreveu no século XVII, o que significa que ninguém é verdadeiramente auto-suficiente, e todos devem confiar na empresa e no conforto dos outros para prosperar. Neste caso, o kit FPGA de conectividade à nuvem DE10-Nano pode precisar ser aumentado por sensores adicionais; também, pode ser necessário comunicar-se com a nuvem.

Assim, para apoiar o Concurso de Design InnovateFPGA 2021-22, estes kits serão fornecidos às equipes participantes selecionadas sem nenhum custo, além de uma pequena quantidade de placas plug-in da Analog Devices e acesso a crédito/tempo limitado aos Serviços de Nuvem do Azure da Microsoft.

A Analog Devices tem um extenso portfólio de Placas de teste e Designs de referência para ajudar a resolver os desafios da aplicação em nível de sistema dos desenvolvedores. Exemplos são o EVAL-CN0398-ARDZ (medição da umidade do solo, pH e temperatura), o EVAL-CN0397-ARDZ (detecção de luz de três canais para agricultura inteligente) e o DC1338B (monitor de temperatura, corrente e tensão I²C). Estas placas podem ser conectadas ao DE10 Nano por meio de suas barras de pinos compatíveis com Arduino ou sua barra de pinos QuikEval da ADI.

A forma da sustentabilidade: uma amostra dos 261 projetos

Naturalmente, não pude resistir a dar um passeio pela riqueza da apresentação de projetos. Estamos falando de 261 projetos que abrangem uma gama enorme de áreas de aplicação, portanto, se você decidir dar uma olhada por si mesmo, talvez queira pegar algo para beber e fazer um lanche porque você vai ficar entretido por algum tempo.

Recuperação de recifes de coral e coleta automatizada de lixo: Exemplos de projetos que imediatamente chamaram minha atenção foram o EM043, que propõe um sistema subaquático de fornecimento microbiano inteligente, de aprendizagem profunda, para a recuperação do habitat dos recifes de coral (Figura 3), e o AS034, uma lixeira inteligente que será capaz de identificar e classificar os objetos para determinar o que pode e não pode ser reciclado.

Figura 3: O Projeto EM043 é um sistema de recuperação do habitat dos recifes de coral que será capaz de fornecer probióticos de coral e monitorar sua eficácia. O fornecimento será regulado com precisão por uma rede de aprendizagem profunda que monitora as mudanças de cor dos corais. (Fonte da imagem: InnovateFPGA)

O projeto EM043 se concentra na reversão do branqueamento dos recifes de coral causado pelas mudanças de temperatura que resultam na expulsão das algas que vivem em seus tecidos. São as algas que não só fornecem a coloração, mas também permitem que o coral realize a fotossíntese necessária para mantê-lo vivo e sustentar o ecossistema.

Existem vários microorganismos benéficos para os corais (BMCs) que podem retardar, ou mesmo parar o processo de branqueamento, mas quais deles e a mistura certa precisam ser determinados através de longos protótipos e testes na borda. O projeto EM043 combina o Kit de conectividade à nuvem com um roteador móvel 4G, painel solar, câmera, sensor de temperatura, um sensor de nível e algoritmos de aprendizagem profunda para realizar a análise e regular o fornecimento de BMC usando um módulo especializado (Figura 4).

Figura 4: O Projeto EM043 combina análise de aprendizagem profunda com sensores, energia solar, um roteador 4G e um mecanismo de fornecimento BMC, com o DE10 como plataforma central de processamento. (Fonte da imagem: InnovateFPGA)

A nuvem do Azure da Microsoft é conectada usando o roteador 4G, e para controlar remotamente o sistema de fornecimento e monitorar visualmente as condições dos corais.

O sistema, conforme proposto, possibilita aos pesquisadores marinhos conduzir experimentos de monitoramento precisos e confiáveis sobre a eficácia dos BMCs na redução do efeito de branqueamento, contribuindo assim para um impacto significativo na restauração de um ecossistema de recifes de coral.

Remoção orgânica de CO₂: Outro projeto que eu gosto por sua simplicidade e escalabilidade é o EM003. Isto apresenta uma planta caseira especial chamada planta de oração (maranta leuconeura), que é uma planta tropical nativa da América do Sul, de baixo crescimento. Diferentes estudos e experimentos provaram a capacidade desta planta de absorver gases de efeito estufa de forma muito eficiente em comparação com plantas semelhantes em ambientes fechados. De fato, os criadores do projeto observam que apenas uma destas plantas pode diminuir a quantidade de CO₂ em uma única sala em 14,40 % durante um período de 24 horas.

A idéia por trás deste projeto é coagir as plantas de oração a absorver a máxima quantidade de CO₂ possível. Isto será alcançado através do registro dos dados sensoriais (temperatura, umidade, luz ambiente, umidade do solo) na nuvem, experimentando o ciclo de irrigação, e analisando os resultados. O objetivo final é ter milhões de pessoas usando estas plantas e coletar e analisar dados do maior número possível. Além do kit FPGA de conectividade à nuvem DE10-Nano, este projeto emprega um sensor de umidade do solo e uma bomba de água com um atuador CC (Figura 5).

Figura 5: No projeto EM003, todos os dados sensoriais são pré-processados pelo FPGA, que também controla o ciclo de irrigação da planta; os dados processados são então enviados para a nuvem para serem combinados com dados de outras plantas a serem analisados. (Fonte da imagem: (InnovateFPGA)

Drone para análise de estresse hídrico agrícola: Não sei quanto a você, mas sou um fanático por qualquer coisa a ver com drones, então outro projeto que exigiu investigação foi o AP008, que apresenta um drone chamado "Agri-Bird" que ajuda a detectar o estresse hídrico em ambientes agrícolas (Figura 6). Esta equipe está sediada em Islamabad, Paquistão.

De acordo com a equipe, a agricultura utiliza aproximadamente 90 % do abastecimento de água do Paquistão. Se as coisas continuarem em seu caminho atual, os recursos hídricos do país poderão estar esgotados até 2040. Para evitar isto e fornecer soluções para o agricultor médio, o projeto AP008 propõe o uso da combinação de dados meteorológicos, dados de sensores no solo e dados aéreos coletados por um drone para criar um modelo de previsão do estresse hídrico.

Figura 6: Usando dados coletados de um drone em conjunto com dados de outras fontes, o modelo de estresse hídrico resultante pode ser usado para evitar (a) perda de produção devido ao déficit de água, (b) perda de nutrientes do solo devido ao excesso de irrigação, (c) má regulagem da irrigação e (d) incêndios florestais. (Fonte da imagem: InnovateFPGA)

Livrando-se dos resíduos plásticos: Eu poderia continuar, mas um projeto final que me interessa pessoalmente é o AP080, que envolve um pequeno robô inteligente que percorre as ruas da cidade para identificar e recolher os resíduos plásticos para reciclagem. Este realmente chega em casa porque eu vejo lixo plástico onde quer que eu vá hoje em dia (Figura 7).

Figura 7: Não terá que ser assim se o projeto AP080 der vida ao seu robô inteligente. Embora este projeto seja inicialmente voltado para as ruas da cidade, ele — ou outros projetos do gênero — pode eventualmente ser capaz de aliviar o flagelo dos resíduos plásticos. (Fonte da imagem: The Nature Conservatory)

Quando eu era criança e meus pais me levaram de férias, depois de um dia na praia, nossa regra familiar era deixar tudo mais limpo do que o encontrado. Isto nos envolveu a coletar não apenas o nosso próprio lixo, mas também qualquer outro entulho que pudéssemos ver nas proximidades. Eu me envergonho quando vejo as pessoas descartando o entulho casualmente, deixando-o cair enquanto andam ou jogando-o para fora das janelas dos carros. Vai ser difícil convencer esse tipo de pessoa a parar, mas seu comportamento seria mitigado se tivéssemos robôs como os propostos por este projeto, limpando atrás deles.

O assustador é que, por mais interessantes e diversos que sejam os projetos de exemplo aqui apresentados, ainda nem sequer riscamos a superfície de todas as possibilidades apresentadas pelas candidaturas a este concurso. Só a leitura dos projetos em alto nível me fez exclamar sem parar "Ooh, Brilhante!", e fazer uma pausa para um olhar mais profundo. Na verdade, vou voltar a vasculhar outros projetos assim que terminar de escrever esta coluna.

Conclusão

Todas as inscrições para o Concurso de Design InnovateFPGA 2021-22 já chegaram. As equipes estão agora trabalhando furiosamente em seus projetos com vistas às finais regionais, que acontecerão em março de 2022, e à Grande Final, que está programada para junho de 2022. Não sei quanto a você, mas não posso esperar para ver os resultados deste desafio oportuno e instigante.