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Fisica

I computer piccolissimi che ci cambieranno la vita

Computer di dimensioni quasi microscopiche sono ormai alla portata della tecnologia elettronica. L’ultimo ostacolo da superare riguarda lo sviluppo di metodi per ottimizzarne l’efficienza energetica in modo da produrre batterie di dimensioni anch’esse minuscole ma a lunghissima durata di Stuart Biles / Scientific American

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Ricordate Salto nel buio, la commedia fantascientifica degli anni ottanta su una microscopica capsula con equipaggio iniettata in un essere umano?
Anche se siamo lontani anni dal lancio di sottomarini all’interno dei nostri corpi, i progressi dell’ingegneria hanno reso possibile la costruzione di computer così piccoli che l’idea di inserirli nel tessuto vivente non è più solo il parto dell’immaginazione di uno scrittore di fantascienza.

Sono già passati vent’anni da quando lo scienziato britannico Kevin Warwick impiantò per la prima volta un trasmettitore RFID al silicio nel suo braccio per controllare a distanza i computer di porte, luci e altri dispositivi. In seguito ha fatto un ulteriore passo avanti interfacciando il dispositivo con il proprio sistema nervoso in modo da controllare un braccio robotico, e guadagnarsi il soprannome di “Captain Cyborg”.
Anche se non è una notizia da strillare ogni giorno in prima pagina, il ritmo della tecnologia dei microcomputer non ha rallentato, e a volte resto ancora stupito dall’ingegnosità di alcuni nuovi sviluppi.

Per esempio, all’inizio di quest’anno, un team dell’Università del Michigan diretto da David Blaauw, docente di ingegneria elettronica e informatica, ha usato un processore ad alta efficienza energetica costruito dall’azienda per cui lavoro, la Arm, per costruire il computer più piccolo del mondo.

Il dispositivo, che misura appena 0,3 millimetri di lato, ha solo un decimo delle dimensioni del precedente detentore del record, un computer a energia solare non più grande di un granello di sale. Dato che è possibile integrare nel nuovo dispositivo dei sensori di temperatura e pressione, il team di Blaauw prevede che, tra le altre applicazioni, potrebbe essere impiantato nei tumori per determinare se si riducono dopo i trattamenti chemioterapici. (Gli studi dimostrano che i tumori possono avere temperature leggermente superiori a quelle dei tessuti sani).

Anche se lo sviluppo di minuscoli computer è entusiasmante, ci sono ostacoli che ne impediscono un’ampia diffusione nel settore sanitario e in altri settori. Uno dei problemi maggiori è la creazione di batterie sufficientemente piccole per alimentare i dispositivi.

Via via che le dimensioni delle batterie si riducono, anche la quantità di energia che immagazzinano diminuisce drasticamente. Le batterie necessarie per i computer minuscoli sono notevolmente più piccole delle piccole batterie convenzionali usate per alimentare dispositivi come i pacemaker e gli impianti cocleari, e la loro capacità – dice Blaauw – può essere mille volte inferiore.

Una possibile soluzione è trovare il modo per ricaricare frequentemente i dispositivi. Per esempio, i raggi infrarossi possono ricaricare a distanza i sensori impiantati in topi di laboratorio.

Gli scienziati stanno anche studiando come produrre elettricità per piccoli computer sfruttando una tecnica nota come recupero di energia termoelettrica, anche se finora non ci sono stati successi a una scala così piccola. Per far sì che questa tecnica funzioni, ci deve essere una differenza di temperatura tra due superfici di un dispositivo, ma i nuovi mini computer sono così piccoli che è difficile rendere una loro parte qualsiasi molto più calda di un’altra.

Altri metodi ancora allo studio prevedono il ricorso a molecole di glucosio come fonte di energia.

Una soluzione efficace potrebbe essere quella di risparmiare la piccola quantità di energia che può essere immagazzinata in una batteria minuscola. Blaauw e il suo team hanno visto che possono ridurre drasticamente il consumo di energia “svegliando” solo periodicamente i computer per fare calcoli e poi rimettendoli a riposo.

Oltre a massimizzare la quantità di tempo in cui i piccoli computer non sono attivi, si può abbattere il loro consumo energetico riducendo la quantità di elettricità che consumano quando sono attivi.

Blaauw e il suo gruppo sono riusciti a ridurre il consumo di energia a riposo del loro computer fino alla soglia infinitesimale di 30 picowatt, 300 trilionesimi di watt, grazie a una modificazione dei transistor usati, alla riduzione delle dimensioni di alcuni circuiti e ad alcune ottimizzazioni dei circuiti.

Le piccole dimensioni e il ridotto consumo energetico dei mini computer però servirebbero a poco se i dati che raccolgono non potessero essere comunicati correttamente. Per consumare meno elettricità possibile, Blaauw e il suo team hanno dovuto modificare anche questo processo.

Attivando l’antenna radio per le trasmissioni solo per pochi miliardesimi di secondo, i computer possono farsi riconoscere senza sprecare troppa energia. “Perché una radio possa essere sentita, deve ‘urlare’ piuttosto forte”, ha detto Blaauw. “In sostanza, abbiamo fatto sì che invece di urlare tutto il tempo, emetta solo un segnale forte ma breve.”

Se i gruppi di ricerca come quello di Blaauw riescono a superare gli ostacoli tecnologici, è verosimile che un giorno i computer minuscoli potranno rivoluzionare ben più del rilevamento dei tumori.

La CubeWorks, un’azienda nata dall’iniziativa Michigan Micro Mote (M3) dell’Università del Michigan, ha sviluppato un sistema di microsensori in rete che possono essere incorporati in oggetti di uso quotidiano – dai sistemi domotici ai parchi eolici fino ai dispositivi per monitorare i livelli di glucosio – e collegati all’Internet degli oggetti.

Alimentati dalla luce solare, questi computer possono raccogliere informazioni sulla temperatura e la pressione dell’ambiente, oltre a scattare immagini digitali e tracciare il movimento all’interno di una determinata area. Un giorno, sistemi come questi potranno trasformare il modo in cui interagiamo con tutto, dagli edifici in cui viviamo agli abiti che indossiamo.

Anche se non saremo ancora in grado di lanciare sottomarini all’interno del nostro corpo, i computer di dimensioni millimetriche probabilmente arriveranno sul mercato nel prossimo decennio e cominceranno ad avere un impatto significativo sul mondo.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Scientific American” il 28 dicembre 2018



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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Da una pulsar binaria un’altra conferma alla teoria di Einstein

Una nuova osservazione ha confermato l’effetto Lense-Thirring, un effetto di trascinamento dello spazio-tempo da parte delle masse in rotazione previsto dalla teoria della relatività generale: si tratta in questo caso di un sistema binario di stelle massicce, che emette radiazione elettromagnetica pulsata. E’ la prima verifica del fenomeno ottenuta con un sistema di tipo stellare

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Ilustrazione dell'effetto Lense-Thirring misurato nello studio (©Mark Myers, OzGrav ARC Centre of Excellence)

L’ennesima conferma sperimentale della teoria della relatività generale di Einstein viene dallo studio di una pulsar, un sistema binario di stelle massicce che emette una radiazione pulsante, condotto da Matthew Bailes,dell’ARC Centre of Excellence of Gravitational Wave Discovery (OzGrav) e colleghi, che firmano un articolo su “Science”.

Uno dei fondamenti di questa teoria è che le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale sono considerate un tutt’uno, uno spazio-tempo quadridimensionale. E lo spazio-tempo viene deformato dalle masse proporzionalmente alla loro entità. Si può immaginare questo effetto pensando a una palla da biliardo posata sul lenzuolo steso su un letto. Se poi si posa sul lenzuolo una seconda massa, una palla da golf per esempio, quest’ultima si avvicinerà alla prima cadendo nella deformazione che ha creato. Questo è in sintesi il modello della gravitazione rappresentato dalla teoria einsteiniana, pubblicata nel 1916.

Già qualche anno dopo, due matematici austriaci josef Lense e Hans Thirring, trovarono un’interessante conseguenza della relatività generale. Secondo le leggi contenute nella teoria, una massa in rotazione su se stessa avrebbe dovuto trascinare con sé lo spazio-tempo, con un effetto lieve ma comunque rilevabile, in linea di principio.

Il fenomeno, chiamato effetto Lense-Thirring, o effetto di trascinamento, è stato rilevato sperimentalmente negli anni 2000 per quanto riguarda l’ambiente intorno alla Terra grazie ai satelliti LAGEOS, anche se con un’incertezza sperimentale ancora non soddisfacente, considerata anche l’esiguità della massa del nostro pianeta. In questi casi, si misura il fenomeno di precessione dell’asse di rotazione giroscopi dei satelliti, dovuto proprio all’effetto Lense-Thirring.

Il trascinamento è però molto più evidente nel caso di oggetti molto massicci che si trovano nel cosmo. L’ha dimostrato nel 2016 un gruppo internazionale di ricerca guidato da Adam Ingram, dell’Università di Amsterdam, nel caso del disco di accrescimento di un buco nero indicato dalla sigla H1743-322, grazie alle osservazioni condotte con i telescopi spaziali per raggi X XMM-Newton dell’ESA e NuSTAR della NASA.

Quasi 20 anni fa, il gruppo di Bailes iniziò ad osservare con il radiotelescopio CSIRO Parkes 64 un sistema binario chiamato PSR J1141-6545, formato da due stelle che ruotano l’una attorno all’altra a velocità sorprendenti. Uno dei due oggetti è una nana bianca, delle dimensioni della Terra ma 300.000 volte più densa. L’altra è una stella di neutroni che, con un diametro di soli 20 chilometri, è circa 100 miliardi di volte la densità della Terra. Ciò significa che l’effetto Lense-Thirring è 100 milioni di volte più intenso, e rappresenta quindi un’occasione unica per studiare gli effetti della relatività generale.

Dato il rapido regime di rotazione, i sistemi binari di questo tipo appaiono come una radiazione elettromagnetica pulsata, e vengono anche indicati per questo pulsar. Misurando con estrema precisione la frequenza di pulsazione, gli astrofisici possono ricavare i parametri orbitali del sistema, e da ciò calcolare la precessione del loro asse di rotazione. Dopo aver eliminato tutti i possibili fattori che possono influenzare questa precessione, Bailes e colleghi hanno misurato il contributo relativistico, risultato in buon accordo con le previsioni della teoria di Einstein. Il successo della ricerca, sottolineano gli autori, è che si tratta della prima conferma dell’effetto di Lense-Thirring ottenuta con un sistema di tipo stellare.



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Come estrarre ossigeno dalla polvere lunare

L’Agenzia spaziale europea è riuscita nell’impresa: ha creato un prototipo di impianto di estrazione dell’ossigeno dalle polveri lunari. Un passo importante per futuri viaggi spaziali e per aumentare la durata della permanenza umana sul satellite

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Rappresentazione artistica di una possibile base di attività sulla Luna (foto: Esa)

Ormai è certo: nel 2024 torneremo sulla Luna ed ora è aperta la caccia ai turisti dello spazio che accompagneranno il primo privato cittadino che andrà sulla Luna, il milionario giapponese Yusaku Maezawa. Ma i motivi per studiare la luna e la sua composizione sono tanti e non riguardano solo i viaggi spaziali. L’Agenzia spaziale europea (Esa) ha già pianificato una missione che avrà l’obiettivo di studiare la possibilità di riuscire a estrarre alcuni elementi, come ossigeno e acqua, naturalmente presente nel suolo, o meglio nella regolite, una sorta di polvere che ricopre la Luna. Oggi, l’Esa informa che ha messo a punto un prototipo per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. Ecco perché è un risultato importante.

Polveri lunari per ottenere ossigeno

La regolite è un materiale granuloso presenti sul suolo lunare – e non solo, si trova anche sulla Terra, su Marte, su altri pianeti, asteroidi e lune. Questo materiale è composto da polveri, detriti, frammenti di rocce e gas, e si è formata in seguito all’impatto di meteoroidi piccoli e spessi, al bombardamento costante di frammenti di materiale celeste. I campioni lunari riportati a terra dalle missioni hanno mostrato che questa polvere è abbondante e per questo sceglierla come candidato per produrre ossigeno potrebbe essere una scelta valida.

Poter ottenere ossigeno dalle polveri lunari potrebbe favorire i futuri viaggi e la nostra permanenza sulla Luna, un tema sempre più attuale. Per questo gli scienziati si sono già messi all’opera e un gruppo guidato dall’università di Glasgow ha recentemente spiegato come procedere.

Un nuovo impianto

Oggi l’Esa annuncia di aver messo a punto un impianto per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. “Avere la nostra strumentazione ci permette di concentrarci sulla produzione di ossigeno”, commenta Beth Lomax dell’università di Glasgow, “misurandolo con uno spettrometro di massa non appena estratto dal ‘simulante’ di regolite”. Il simulante di regolite è un materiale terrestre che serve per creare un composto quanto più possibile somigliante alla regolite e che è utile per gli esperimenti e per studiare le possibili condizioni di permanenza sulla luna.

L’estrazione dell’ossigeno dalla polvere di Luna

Inizialmente l’ossigeno generato nel processo veniva rilasciato come biossido di carbonio e monossido di carbonio. “Questo significa che i reattori non sono progettati per resistere all’ossigeno stesso”, spiega Lomax, che racconta che gli scienziati hanno riprogettato una nuova versione per avere ossigeno libero da misurare. Il nuovo impianto è anche silenzioso e l’ossigeno viene scaricato in un tubo apposito. Verrà poi accumulato non appena i ricercatori realizzeranno il prossimo aggiornamento delle apparecchiature.

Per ottenere l’ossigeno i ricercatori si sono serviti dell’elettrolisi per separare l’idrogeno e l’ossigeno che compongono una molecola d’acqua. Il tutto avviene attraverso la presenza di cloruro di calcio, che funge da elettrolita, riscaldato a 950 °C. La separazione è avvenuta e l’ossigeno è stato estratto.

“Il processo di produzione lascia dietro di sé un groviglio di metalli diversi”, aggiunge Alexandre Meurisse, ricercatore dell’Esa, “e questa è un’altra linea di ricerca importante per vedere quali sono le leghe più utili che potrebbero essere prodotte a partire dal materiale e quali applicazioni potrebbero avere”. La precisa combinazione di metalli, specifica l’esperto, potrebbe dipendere dal punto in cui vengono raccolte le polveri lunari, dato che ci potrebbero essere importanti differenze.

Verso la Luna e Marte

L’obiettivo finale, concludono i ricercatori, potrebbe essere realizzare un impianto simile direttamente sulla Luna, così da avere direttamente ossigeno disponibile. “Stiamo spostando il nostro approccio ingegneristico verso la possibilità di un uso sistematico delle risorse lunari in situ”, conclude Tommaso Ghidini dell’Esa, “per fornire un metodo operativo ideale e tecnologie essenziali come questa, affinché sia possibile la presenza umana sulla Luna e un giorno forse anche su Marte.



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Arriva il primo “robot vivente”, creato con cellule staminali

Deriva da cellule staminali di rana, il nuovo robot vivente non è né una macchine tradizionale né una nuova specie animale. Ecco cos’è e perché potrebbe essere molto utile in medicina e per combattere l’inquinamento

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In futuro i robot saranno sempre più spesso ispirati alle nostre caratteristiche biologiche. Ma oggi il mondo delle tecnologie ci stupisce con una proposta finora inedita: un gruppo di ricerca ha creato un nuovo prototipo che non solo prende ispirazione dalla biologia ma che  è interamente costituito da materiale biologico. I creatori, dell’università del Vermont e di Tuft, parlano per questo di robot vivente, primo nel suo genere, una macchina minuscola, per niente somigliante all’idea che abbiamo di robot – quella dell’automa. Le applicazioni potrebbero riguardare diversi campi, dalla ricerca delle contaminazioni radioattive ad usi clinici. I risultati sono pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences.

Negli anni scorsi ci sono stati dei tentativi anche di successo di creare organismi viventi semi-sintetici. In questo caso parliamo di un oggetto molto diversi, come spiegano gli scienziati, che hanno progettato e realizzato la “prima macchina biologica interamente messa su a partire dal nulla”, o meglio da cellule. I ricercatori la hanno chiamata xenobot perché deriva dall’elaborazione di cellule staminali della rana africana Xenopus laevi, spesso utilizzata come modello animale nella ricerca in biologia. “Il dna dell’organismo realizzato è al 100% quello della rana”, specifica Michael Levin, uno dei due coordinatori dello studio, ricercatore all’università di Tuft, “ma non è una rana”“Non sono né robot tradizionali né nuove specie animali”, sottolineano i ricercatori, che chiariscono che si tratta di nuova classe di artefatti, oggetti artificiali che sono organismi viventi e programmabili.

Gli scienziati hanno progettato i nuovi robot con i supercomputer dell’università del Vermont e poi li hanno assemblati e testati all’università Tuft. Prima hanno prelevato le cellule staminali dagli embrioni di rana, separate in singole cellule e fatte crescere in laboratorio, in una sorta di incubatrice per farle moltiplicare e differenziare in tessuti diversi. Successivamente le hanno tagliate e aggiuntate attraverso l’uso di un microscopio per ottenere il design desiderato, selezionato col computer. In questo modo, si sono formate delle cellule dalla forma inedita in natura che hanno cominciato a funzionare e lavorare insieme. Qui il video.

La loro forma è quasi sferica. La pelle ha un’architettura abbastanza statica, mentre il muscolo cardiaco è più attivo: le sue contrazioni sono tali da generare movimenti ordinati, che seguono quanto scelto in base alla progettazione del computer. In pratica si tratta di materia vivente assemblata e programmata per lavorare in un determinato modo, selezionato dagli autori.

I risultati mostrano che questi organismi si muovono in modo coerente e che possono spostarsi e sondare l’ambiente acquoso in cui si trovano per giorni o settimane. Tuttavia, anche loro falliscono: se si ribaltano somigliano a coleotteri capovolti che non sono più in grado di muoversi. Inoltre, gli autori hanno osservato che si spostano creando un cerchio e alcuni sono stati progettati per creare una struttura con un buco al centro. “È un passo avanti verso l’uso di organismi creati dal computer per l’invio intelligente di farmaci”, ha spiegato Joshua Bongard dell’università del Vermont, che sottolinea che sono completamente biodegradabili e una volta aver assolto al loro compito, dopo una settimana, sono solo cellule di pelle morta.

Ma molti sono preoccupati dei possibili sviluppi. “Questa paura non è irragionevole”, aggiunge Levin. E “questo studio fornisce un contributo diretto per comprendere meglio ciò di cui le persone hanno paura, ovvero le conseguenze indesiderate”. Se inizieremo a manipolare sistemi complessi che non conosciamo, spiega l’esperto, potremmo avere esiti inattesi e non desiderati. Per questo capire in che modo la complessità emerge da sistemi semplici sarà una sfida fondamentale del futuro.



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