Robot e sensori connessi nell’Internet of Underwater Things: ecco la terza dimensione della NATO che punta sulla ricerca scientifica e tecnologica

Non tutti sanno che l’Organizzazione del Trattato del Nord Atlantico è caratterizzata da una “terza dimensione”, che serve da ponte tra l'identità civile dell’Alleanza e quella militare: la dimensione della scienza e della tecnologia.

Alessandro Berni
NATO-CMRE Centre for Maritime Research and Experimentation
Head Information Laboratories Office
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Diego Merani
NATO-CMRE Centre for Maritime Research and Experimentation
Operations and Project Support Manager
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João Alves
NATO-CMRE Centre for Maritime Research and Experimentation
Principal Scientist Project Leader
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Fu proprio un italiano, il Ministro degli Esteri Gaetano Martino, coautore del rapporto detto “dei tre saggi”, a suggerire nel 1956 al Consiglio Atlantico di aumentare la cooperazione tra le nazioni nel campo non militare, per introdurre un approccio cooperativo alla risoluzione dei problemi di sicurezza, con particolare enfasi sulla cooperazione scientifica.

Per più di sessant’anni la NATO ha promosso eventi, conferenze, corsi e gruppi di lavoro per sostenere il progresso scientifico. Fra tutti basti ricordare l’organizzazione della prima conferenza al mondo sull’ingegneria del software, nell’ottobre 1968, che ebbe tra gli organizzatori Peter Naur, in seguito vincitore del Premio Turing dell’ACM. Agli studi teorici, condotti riunendo migliaia di scienziati operanti in un ampio spettro di temi spazianti dall’aeronautica alla scienza dei materiali, dalla medicina alle telecomunicazioni, si sono sempre uniti studi applicativi. Questi venivano svolti in due laboratori internazionali, uno nei Paesi Bassi, specializzato nell’analisi dei segnali radar, e l’altro in Italia, specializzato nell’acustica sottomarina e nello sviluppo di sistemi sonar.

La riforma del 2012 ha voluto riposizionare l’attività di ricerca dell’Alleanza, accorpando diversi enti preesistenti nella nuova Organizzazione per la Ricerca Scientifica e Tecnologica (STO, Science & Technology Organization), presieduta dal Capo Scienziato della NATO, che siede a Bruxelles, ed articolata in due organi esecutivi, l’ufficio per il supporto alla collaborazione (CSO, Collaboration Support Office) di Parigi, ed il centro per la ricerca e sperimentazione marittima (CMRE, Centre for Maritime Research and Experimentation), con sede a La Spezia.

Il CMRE è oggi un centro di ricerca di rilevanza mondiale, che si basa su un patrimonio di conoscenza costruito in più di cinquant’anni per organizzare e condurre ricerca scientifica e tecnologica centrata sull’ambito marittimo, con la possibilità di estendere la prospettiva in altri settori, come richiesto dalla propria missione.

Una caratteristica fondamentale del metodo con cui il centro lavora è quello di creare innovazione validata sul campo. Per questo scopo il CMRE dispone, in aggiunta ai propri laboratori di La Spezia, di due navi per ricerche, la maggiore delle quali, denominata Alliance e gestita in collaborazione con la Marina Militare, è in grado di operare fino al limite dei ghiacci artici nella massima silenziosità, consentendo la conduzione di studi di acustica di precisione e la messa a mare di un’ampia gamma di sensori e veicoli robotici.

È proprio nei sistemi robotici che il CMRE ha spostato negli ultimi anni gran parte della propria ricerca: come altri enti si occupano di droni aeronautici e di automobili senza pilota, il Centro si occupa di veicoli autonomi in grado di operare sia sulla superficie che nelle profondità degli oceani, per svolgere missioni rilevanti sia per la pubblica sicurezza che per la difesa ambientale. Le nuove tecnologie oggetto di sperimentazione vertono sull’osservazione, comprensione, predizione dell’ambiente circostante e della sua evoluzione, con la capacità di comunicare, prendere decisioni e intraprendere azioni appropriate per il successo di una missione.

Una gran parte di questa ricerca viene effettuata in collaborazione con altri organismi, sia in ambito NATO che in ambito europeo, prima attraverso il 7° Programma Quadro ed oggi con Horizon 2020. Il collegamento del CMRE con la rete GARR in Italia e con GÉANT in Europa rappresenta un tassello importante per sostenere questo modello di ricerca. Da una parte per consentire il trasferimento tra partner di volumi di dati che continuano a crescere in maniera esponenziale, con la possibilità di trarre vantaggio dai sistemi di storage cloud, dall’altra per consentire il trattamento di problemi sempre più complessi dal punto di vista computazionale, attraverso modelli di cloud ibrido supportati da una rete veloce ed altamente affidabile.

Uno dei temi di ricerca in cui il CMRE riveste un ruolo prominente è quello delle comunicazioni sottomarine. I metodi comunemente usati per comunicare in terra ed in aria (radio, comunicazioni ottiche) non funzionano bene sott’acqua e per questo sono necessari approcci innovativi per realizzare reti di robot e sensori connessi nell’Internet of Underwater Things.

Uno dei prodotti della ricerca del Centro in questo campo è JANUS, il primo protocollo riconosciuto a livello internazionale per le comunicazioni digitali subacquee. Si tratta di un minimo comune denominatore per le comunicazioni acustiche, che ha richiesto più di dieci anni per essere finalizzato in uno standard (STANAG, Standardization Agreement) riconosciuto dalle 28 nazioni della NATO. Il protocollo rappresenta un metodo per la codifica dell’informazione sufficientemente semplice da poter consentire l’adozione all’interno di strumenti nuovi o già esistenti, e prende il nome dal dio Giano in virtù della sua natura di tramite tra mondi diversi. La sua natura di lingua franca facilita l’interoperabilità tra strumenti civili e militari, NATO e non-NATO, e la realizzazione di interconnessioni tra il mondo subacqueo e quello di superficie.

JANUS ha l’ambizione di superare la “Torre di Babele” che caratterizza oggi i modem ed i sistemi proprietari e per questo motivo il suo sviluppo è stato effettuato in modo il più possibile inclusivo, coinvolgendo enti accademici, industriali e governativi, oltre che esperti internazionali. Il supporto per l’attività di ricerca è stato fornito dalla sezione “Soluzioni Future” del Comando Alleato per la Trasformazione (ACT) di Norfolk, Stati Uniti, coprendo non solo l’attività di studio, ma anche la sperimentazione in mare o attraverso l’innovativo Littoral Ocean Observatory Network (LOON) sviluppato dal CMRE.

Il LOON facilita la sperimentazione di missioni robotiche creando una rete acustica di nodi sottomarini, installati su treppiedi poggiati sul fondo marino ma accessibili da ogni parte del globo attraverso il sistema mondiale delle reti della ricerca di cui la rete GARR fa parte. Una delle più grandi difficoltà nel progetto di modem e protocolli per rete acustiche sottomarine risiede nella gestione della eterogeneità spazio-temporale dell’ambiente subacqueo e del canale acustico che lì viene realizzato. Banchi di prova come il LOON rappresentano una risorsa impagabile per il raggiungimento della completa comprensione del funzionamento acustico sottomarino, ma ne sono necessari diversi, collocati in zone differenti ed eterogenee e resi disponibili ai ricercatori per lunghi periodi, per caratterizzare gli aspetti tempo varianti su una vasta serie di scenari.

Per questo motivo il LOON è stato poi inserito in una federazione di testbed gestiti dai diversi partner del progetto FP7 SUNRISE, nell’Oceano Atlantico, nel Mediterraneo e nel Mar Nero, ognuno dei quali è rappresentativo di uno specifico utilizzo applicativo (sicurezza portuale, protezione dei parchi marini, operazioni di ricerca e salvataggio, monitoraggio della pesca).

In conclusione, il CMRE è un ente internazionale, fortemente radicato in Italia, in Europa e con gli enti di ricerca negli Stati Uniti ed in Canada, che svolge ricerca data intensive sia nel mondo fisico che in quello virtuale, affrontando una serie di problemi di grande rilevanza e priorità per le nazioni della NATO. Per il Centro la partnership con GARR, iniziata da pochi anni ma in costante sviluppo, è un tassello importante della sua strategia di collaborazione internazionale ed un fattore abilitante per la sua ricerca.