Esplorando l’interfacciarsi di fotonica e intelligenza artificiale, a un gruppo di ricercatori italiani è venuto in mente di utilizzare gli algoritmi di calcolo per realizzare strumentazione ottica non convenzionale. In un’epoca in cui l’AI sembra essere diventata una costante quasi obbligatoria per ogni sfida degna di essere chiamata tale, il CNR e la Sapienza Università di Roma hanno scelto di sfruttarla per rivoluzionare la rilevazione della polarizzazione. Un’idea che può apparire a primo avviso “di nicchia” ma che, una volta contestualizzata, assume una potenza disruptive. Nel mondo della ricerca, in primis, ma anche in settori come la comunicazione, la medicina, il manufacturing, i veicoli a guida autonoma e i droni. Non è banale intuire il collegamento tra la polarizzazione della luce e questi verticali, ma esiste. L’equazione di un’onda luminosa è molto più concreta e utile di quanto si possa immaginare.
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Una telecamera, carta e algoritmi per un polarimetro ready to use
Ciò che CNR e Sapienza hanno realizzato è il primo visore di polarizzazione basato sull’intelligenza artificiale. Non è importante per la sola presenza di questa tecnologia che lo rende “al passo coi tempi”. È importante perché trasforma completamente uno strumento finora del tutto “scomodo”.
La polarizzazione della luce indica la direzione di oscillazione del campo elettromagnetico. Invisibile all’occhio umano, per misurarla serve individuare più grandezze, come fossero le coordinate di un punto posto su una sfera. Questo è il motivo per cui il polarimetro “classico” è munito di una serie di componenti ottiche ingegnerizzate, in grado di muoversi per effettuare più misure.
“Si tratta di strumenti lenti, delicati, costosi e molto voluminosi. Soprattutto quando gli si associa una telecamera per costruire una camera di polarizzazione. Nel nostro strumento, basato sull’AI, non si ha nessuno dei convenzionali elementi ottici usati per analizzare la polarizzazione. Riusciamo ad ottenere informazioni sulla polarizzazione da un software che le ricava da altre quantità ottiche misurabili attraverso un’immagine scattata da una normale telecamera” spiega Davide Pierangeli del CNR.
Nella pratica si ha un fascio laser che colpisce un pezzo di carta: la luce viene diffusa in tutte le direzioni e una piccola quantità viene trasmessa come “rumore ottico”. A questo punto una telecamera/sensore fotografa questo rumore ottico e un algoritmo di machine learning da questa immagine ricava la polarizzazione del fascio che l’ha generato.
Per calibrare questo strumento composto da carta, sensore e AI bastano pochi esempi e la pazienza di attendere un paio di secondi. Molti meno di quelli richiesti dagli strumenti tradizionali.
Leggerezza, velocità e ampia applicabilità: la nuova era dei polarimetri
Lo strumento AI based realizzato rappresenta una vera e propria innovazione. La sua semplicità cambia totalmente i presupposti e le condizioni al contorno richieste dalla polarizzazione, diventando in grado di riscattarne il ruolo all’interno dell’intera comunità scientifica.
“Per prima cosa ora è sufficiente una sola misura, quindi i tempi si minimizzano. Si tratta inoltre di uno strumento molto compatto, miniaturizzabile e con un costo irrisorio. Un enorme vantaggio è anche il fatto di poterlo utilizzare per tutte le lunghezze d’onda, previa veloce calibrazione. Con il polarimetro tradizionale questo non sarebbe possibile” precisa Pierangeli.
Il campo più immediato di applicazione è quello della ricerca che, quasi a sua insaputa, non aspettava altro che “sbloccare” la potenza scientifica della polarizzazione. In ottica, per esempio, diventa possibile utilizzarla con luce strutturata, quella in cui il profilo del laser può essere disegnato a piacimento e che permette di sondare delle precise aree di un materiale, ignorandone altre. “Nel campo della metrologia ultrasensibile, per esempio, potendo analizzare facilmente fasci laser strutturati in polarizzazione con un unico ‘scatto’, si riuscirà a misurare otticamente sia la velocità sia la direzione del moto di una microparticella con altissima precisione. Questo strumento rapido e preciso apre nuove frontiere di ricerca e ci auguriamo possa dare un impulso a nuove funzionalità basate sulla polarizzazione ottica” ammette Pierangeli.
Medicina, guida autonoma, manufacturing e droni: tutti misureranno “cose mai viste”
Il polarimetro intelligente non resta una novità riservata ai ricercatori e agli “esperti di luce”. Può avere forti e immediati impatti su molti settori industriali, alcuni anche poco ovvi o, addirittura impensabili.
Partendo dai più intuibili, si può guardare a come il mondo della comunicazione possa beneficiare di questa novità. “L’uso della polarizzazione permette un’alta densità di informazioni. Se codifichiamo un segnale in due polarizzazioni e lo inviamo, raddoppiamo le capacità di canale” spiega Pierangeli, spostandosi poi in ambito spaziale. In questo caso, i vantaggi riguardano la comunicazione tra satelliti e basi terrestri. Con la polarizzazione si potranno avere segnali più robusti, che non risentano di turbolenze atmosferiche.
Anche in medicina, come in ogni settore dipendente dall’imaging, si immaginano consistenti vantaggi. Tutto parte dal fatto che la polarizzazione è in grado di fornire informazioni assolutamente inedite. Ai dottori può svelare le forme di strutture biologiche, anche di quelle situate troppo in profondità per essere colte dai microscopi. Al settore automotive, il nuovo strumento fa fare un enorme passo avanti nel campo della guida autonoma. Inserendo telecamere in grado di sfruttare la polarizzazione, infatti, si riescono a eliminare problemi di riflessi, contrasti e scarsa visibilità, con ampi vantaggi legati ai tempi di reazione. Il tutto con uno strumento dalle dimensioni ridotte, ben utilizzabile anche nelle fabbriche. Nel manufacturing potrà essere quindi sfruttato per identificare tensioni, torsioni e difetti superficiali di un processo o prodotto.
Un’altra applicazione possibile, grazie alle ridotte dimensioni dello strumento, è quella riguardante i droni. I polarimetri sono cruciali nel remote sensing ma finora è stato difficile incorporarli a questi oggetti volanti. Ora che lo si può fare, si aprono nuovi importanti scenari, abilitando i droni a individuare “cose mai viste”, monitorando il territorio come solo loro sanno fare.
L’annuncio della scoperta, con l’uscita dell’articolo sulla rivista Nature Communications, è così fresco che è presto per parlare di collaborazioni con aziende. Il prototipo presentato è però già pronto all’uso, per chi volesse accelerare il proprio business facendo leva sulla polarizzazione. Ciò non significa che la ricerca è conclusa. CNR e Sapienza stanno infatti lavorando su nuovi fronti. Quello più immediato riguarda l’algoritmo AI. “Finora abbiamo utilizzato quelli di apprendimento supervisionato, ma il principio è così generale che possiamo e vogliamo estenderlo ad altri tipi di algoritmi che non hanno bisogno di supervisione. Ciò renderebbe lo strumento più adattabile e performante, utilizzabile anche in contesti molto dinamici” rivela Pierangeli.
Un altro filone di ricerca su cui vorrebbe impegnarsi riguarda il quantum computing. “La polarizzazione in questo campo viene usata per codificare informazioni quantistiche. Ricostruire uno stato quantistico composto da molte polarizzazioni è tuttavia difficilissimo, farlo in modo efficiente è un problema aperto. Il nostro nuovo strumento, una volta adattato per luce quantistica, potrebbe regalare nuove opportunità per risolverlo”.
