תחרות InnovateFPGA‏ 2021: מתכננים יצירתיים מציגים בפנינו כיצד להתמודד עם קיימות

אני לא יודע מה לגביכם, אך אני הולך ונהיה יותר ויותר מודאג לגבי העתיד המשותף שלנו. אנו שומעים את המונח "קיימות" הרבה בימינו, אבל מה זה אומר בעצם? ובכן, דרך אחת להסתכל על זה היא שקיימות מתייחסת ליכולת של בני אדם ושל הביוספרה של כדור הארץ להתקיים במקביל. במסמך Our Common Future‏, המוכר גם כ- Brundtland Report‏, שפורסם על ידי האו"ם באוקטובר 1987, ה-"קיימות" הוגדרה בצורה נוקבת משהו כ"...מתן מענה לצרכים של הדור הנוכחי מבלי לפגוע ביכולתם של הדורות הבאים לספק את הצרכים שלהם."

היכולת שלנו להשיג קיימות מאותגרת על ידי גידול האוכלוסיה ושימוש לא-יעיל במשאבים הזמינים. מתוך הכרה בכך, הנושא של תחרות התכנון InnovateFPGA‏ 22‏-2021‏ - שהושקה על ידי Terasic, ביחד עם Intel‏, (Analog Devices Inc. (ADI ו- Microsoft - הוא "חיבור הקצה לעתיד בר-קיימא (יישום הטכנולוגיה להתמודדות עם אתגרים כלל-עולמיים)."

מטרת התחרות היא לעורר השראה וליצור פתרונות ברי-קיימא המפחיתים את ההשפעה הסביבתית שלנו. בואו נביט על כמה מהרעיונות: הם בטוח יגרמו לכם לחשוב מה אתם יכולים לעשות.

המלחמה של האוכלוסיה מול המשאבים

אחד הדברים המשפיעים לרעה על קיימות הוא מספר האנשים על פני כדור הארץ. קחו למשל את הפירמידות המפורסמות של גיזה, שנבנו בסביבות 2550 עד 2490 לפני הספירה. זה רק לפני כ- 4,500 שנה כשאני כותב מילים אלו. באותם ימים של פעם, היו רק כ- 20 מיליון אנשים על כדור הארץ. לשם השוואה, בזמן כתיבת שורות אלה, אנו מוערכים כ- 7.9 מיליארד אנשים, ומספר זה צפוי לעלות ל- 8.5 מיליארד עד 2030‏ ^1‏, 9.2 מיליארד עד 2040‏ ^2‏ וכמעט 10 מיליארד עד 2050‏ ^3‏.

מצד שני, אחד הדברים היכולים להשפיע לטובה על קיימות הוא היכולת שלנו להעלות רעיונות וליישם פתרונות חברתיים וטכנולוגיים לבעיות שלנו.

אני אוהב מדע בדיוני ופנטזיה מדעית. כנער צעיר בסוף שנות ה- 60 ותחילת שנות ה- 70, אני זוכר שקראתי את רומן המדע הבדיוני The Rolling Stones משנת 1952 (שפורסם גם תחת השם Space Family Stone בבריטניה) מאת סופר המדע הבדיוני האמריקאי, מהנדס אווירונאוטיקה וקצין חיל הים רוברט אנסון היינליין. בסיפור הזה, משפחת סטון, שהם תושבי הירח, רוכשת ובונה-מחדש ספינת חלל משומשת ויוצאת למסע טיול ברחבי מערכת השמש. כחלק ממנו, הם מבקרים בחגורת האסטרואידים שבה מתקיימת המקבילה של הבהלה לזהב בקליפורניה (1848-1855), כאשר כורי אסטרואידים מחפשים חומרים שונים, כולל עפרות רדיואקטיביות.

למרות שזה עדיין נראה כמו חומר של מדע בדיוני עבור אנשים רבים, מעניין לציין כי עד לאחרונה, בשנת 2017, בית הספר למכרות של קולורדו השיק תוכנית רב-תחומית לתארים מתקדמים המציעה תעודת פוסט-בגרות, תואר שני במדעים ותואר דוקטורבכריית אסטרואידים (הם קוראים לזה "משאבי חלל", אבל הם לא מטעים אף אחד - אנחנו יודעים למה הם מתכוונים).

הבעיה היא שכדור הארץ הוא מערכת סגורה. יש כמות מוגבלת של חומר זמין. מה שיש לנו היום זה מה שיהיה לנו מחר ומחרתיים. אפילו שיש דיבורים רציניים על כריית חומרי גלם (למשל, ברזל, ניקל, אירידיום, פלדיום, פלטינה, זהב, מגנזיום, ואולי גם מים) מהירח, מגופים קרובים לכדור הארץ ומאסטרואידים, ההיתכנות המעשית מוערכת לכל הפחות ב- 20 שנה לתוך העתיד. גם כאשר זה אכן יקרה, העלות במונחים של אנרגיה, זמן ומשאבים להחזרת החומרים הללו לכדור הארץ פירושה שהכמויות שלהם יהיו זעירות בתכנית הדברים במשך שנים רבות. השורה התחתונה היא שאנחנו לא יכולים לצפות לקבל כמויות משמעותיות של חומרי גלם נוספים בעתיד הנראה לעין, ולכן ראוי שנעשה את המיטב עם מה שיש לנו.

משנים את המגמה: תחרות התכנון InnovateFPGA‏ 22‏-2021‏

בהשראת הנושאים והצרכים שזוהו על ידי ארגונים כמו תוכנית המענקים הקטנים של Global Environment Facility‏ (GEF), המיושמת על ידי קרן הפיתוח של האו"ם (UNDF), כל האמור לעיל מוביל אותנו לתחרות התכנון InnovateFPGA (איור 1).

איור 1‏: אחד הדברים היכולים להשפיע לטובה על קיימות היא היכולת שלנו להעלות רעיונות וליישם פתרונות חברתיים וטכנולוגיים לבעיות שלנו. (מקור התמונה: DigiKey)

בהתמודדות עם אתגר הקיימות, החברות Terasic, Intel, ADI ו- Microsoft השיקו את תחרות התכנון הנוכחית InnovateFPGA‏ 22‏-2021‏, המדגישה את השימוש המושכל ברכיבי FPGA‏ בקצה לקראת הפחתת הביקוש למשאבי כדור הארץ.

רכיבי FPGA‏ הם שימושיים במיוחד עבור יישום זה מכיוון שהם גמישים וניתנים להגדרה-מחדש. כמו כן, רבים מהתכנים בתחרות זו מבוססים על שימוש באלגוריתמים מתוחכמים כגון בינה מלאכותית (AI) וראיית מכונה (MV), הדורשים כמויות עצומות של חישוב. ניתן להגדיר את המארג הניתן לתכנות של FPGA כדי לממש פעולות בצורה מקבילה באופן מסיבי, ובכך לאפשר להם לבצע אלגוריתמים עתירי מחשוב באופן מקומי בזמן-אמת תוך צריכת חשמל מועטה יחסית.

המתמודדים הוזמנו להירשם כצוותים המורכבים מאחד עד שלושה אנשים הממוקמים באותו אזור גיאוגרפי. צוותים אלה הוזמנו להשתמש בערכת חיבוריות ענן DE10-Nano FPGA‏ P0685‏ מבית Terasic, המבוססת על השילוב של ערכת ה- DE10-Nano‏ P0496‏ הפופולרית ביותר וכרטיס-בת P0499 RFS (איור 2).

ה- DE10 Nano מבוסס על Cyclone V SE FPGA‏ מבית Intel מתוגבר עם 1 גיגה-בייט (Gbyte) של DDR3 SDRAM, פס-פינים להרחבה (תואם Uno R3‏) מבית Arduino‏, יציאת HDMI‏ ל- USB‏, UART‏ ל- USB‏, נקודת-חיבור USB‏ On-The-Go‏ (OTG‏), תושבת כרטיס Micro-SD‏, Gigabit Ethernet‏ ופסי-פינים GPIO‏. ל- FPGA‏ מערכת-על-שבב Cyclone V יש צירוף של מארג ניתן-לתכנות (110,000 אלמנטי לוגיקה (LE‏) ושתי ליבות מעבד ARM® Cortex®-A9‏ Bit‏-32‏.

איור 2‏: ערכת חיבוריות ענן FPGA‏ משלבת את המערך עתיר מאפיינים והגמיש של Cyclone V SoC FPGA‏ מבית Intel עם היתרונות של חיבוריות ענן. ניתן לחבר חיישנים נוספים באמצעות פסי-פינים תואמי Arduino או פס-פינים QuikEval מבית ADI‏. (מקור התמונה: Terasic‏)

בינתיים, כרטיס-הבת RFS מוסיף תקשורת Wi-Fi ו- Bluetooth, כמו גם מגוון רחב של חיישנים כגון מד-תאוצה של תשעה צירים, ג'ירוסקופ ומגנטומטר, יחד עם חיישני אור סביבה, טמפרטורה ולחות.

כמובן, ככל שהיא חזקה, ערכת חיבוריות ענן DE10-Nano FPGA היא בעלת שימוש מוגבל כשהיא בפני עצמה. "אף אדם אינו אי", כמאמר אמרתו המפורסמת של המשורר האנגלי John Donne בן המאה ה- 17, כלומר אף אחד אינו באמת עצמאי, וכל אחד חייב לסמוך על החברה והנוחות של אחרים כדי לשגשג. במקרה זה, ייתכן שיהיה צורך לתגבר את ערכת חיבוריות ענן DE10-Nano FPGA עם חיישנים נוספים; כמו כן, ייתכן שיהיה צורך לתקשר עם הענן.

כך, כדי לתמוך בתחרות התכנון InnovateFPGA‏ 22‏-2021‏, ערכות אלו יסופקו לצוותים המשתתפים הנבחרים ללא עלות, ביחד עם כמות קטנה של כרטיסים נתקעים מבית Analog Devices‏, וקרדיט/גישה מוגבלת-זמן לשירותי ענן Azure‏ מבית Microsoft‏.

לחברת Analog Devices יש סל מוצרים נרחב של לוחות הערכה ותכני ייחוס כדי לסייע בפתרון אתגרי היישומים ברמת-המערכת של המפתחים. דוגמאות לכך הן EVAL-CN0398-ARDZ (מדידת לחות קרקע, pH וטמפרטורה), EVAL-CN0397-ARDZ (גילוי אור תלת-ערוצי עבור חקלאות חכמה), ו- DC1338B (מנטר טמפרטורה, זרם ומתח I²C). ניתן לחבר לוחות אלו ל- DE10 Nano באמצעות פסי-פינים תואמי Arduino או פס-פינים QuikEval מבית ADI‏.

הצורה של הקיימות: דגימה של 261 הפרויקטים שהוגשו

כמובן, לא יכולתי להתאפק והתחלתי לצעוד בין שלל ההגשות לפרויקט. אנחנו מדברים על 261 פרויקטים המתפרשים על פני מגוון עצום של תחומי יישום, כך שאם תחליטו לבדוק בעצמכם, אולי תרצו להצטייד בהתאם כדי לאכול ולשתות משהו, כי אתם הולכים להיות עסוקים מאד להנאתכם במשך זמן מה.

איסוף אשפה אוטומטי ושחזור שוניות אלמוגים: פרויקטים לדוגמא אשר תפסו מיד את עיניי הם EM043‏, המציע מערכת הזנת חיידקים תת-מימית חכמה עם למידה-עמוקה עבור שיקום בתי-גידול של שוניות אלמוגים (תמונה 3), ו- AS034‏, פח אשפה חכם המסוגל לזהות ולסווג עצמים כדי לקבוע מה ניתן ומה לא ניתן למחזר.

איור 3: פרויקט EM043 הוא מערכת לשיקום בתי-גידול של שוניות אלמוגים שתוכל לספק פרוביוטיקה לאלמוגים ולנטר את יעילותם. רשת למידה-עמוקה מנטרת את שינויי הצבע של האלמוגים ומווסתת במדויק את מתן הפרוביוטיקה. (מקור התמונה: InnovateFPGA)

פרויקט EM043 מתמקד בהיפוך הלבנת שוניות האלמוגים הנגרמת עקב שינויי טמפרטורה הגורמים לשוניות לגרש את האצות החיות ברקמותיה. האצות הן אלו שלא רק מספקות את הצבע, אלא גם מאפשרות לאלמוג לבצע את הפוטוסינתזה הדרושה כדי לשמור אותו בחיים ולקיים את המערכת האקולוגית.

ישנם מיקרו-אורגניזמים מועילים-לאלמוגים (BMC) שונים היכולים להאט, או אפילו לעצור את תהליך ההלבנה, אבל אילו הם והתערובת הנכונה צריכים להיקבע באמצעות בדיקות וניסויי אב-טיפוס ממושכים בקצה. פרויקט EM043 משלב ערכת חיבוריות ענן עם נתב 4G נייד, פאנל סולארי, מצלמה, חיישן טמפרטורה, חיישן מפלס ואלגוריתמי למידה-עמוקה לביצוע הניתוח ולוויסת מתן ה- BMC באמצעות מודול מיוחד (איור 4).

איור 4: פרויקט EM043 משלב ניתוח למידה-עמוקה עם חיישנים, הספקת-כוח סולארית, נתב 4G ומנגנון מתן BMC, עם ה- DE10 כפלטפורמת העיבוד המרכזית. (מקור התמונה: InnovateFPGA)

ענן Microsoft Azure מחובר באמצעות נתב 4G, כדי לשלוט מרחוק על מערכת שחרור ה- BMC ולנטר ויזואלית את מצב האלמוגים.

המערכת, כפי שהוצעה, מאפשרת לחוקרים ימיים לערוך ניסויי ניטור מדויקים ומהימנים על יעילות ה- BMC בהפחתת אפקט ההלבנה, ובכך לתרום להשפעה משמעותית על שיקום המערכת האקולוגית של שוניות אלמוגים.

סילוק _2‏CO אורגני: פרויקט נוסף שאני אוהב בגלל הפשטות והמדרגיות (Scalability) שלו הוא ה- EM003. זה כולל צמח בית מיוחד הנקרא צמח התפילה (maranta leuconeura), שהוא צמח טרופי עם צמיחה נמוכה שמוצאו בדרום-אמריקה. מחקרים וניסויים שונים הוכיחו את יכולתו של צמח זה לספוג גזי חממה ביעילות רבה בהשוואה לצמחי בית דומים. למעשה, יוצרי הפרויקט מציינים שצמח אחד בלבד כזה יכול להפחית את כמות ה- _2‏CO בחדר אחד ב- 14.40% במשך 24 שעות.

הרעיון מאחורי פרויקט זה הוא להכריח על צמחי תפילה לספוג את הכמות המקסימלית של _2‏CO האפשרית. זה יושג על ידי רישום נתוני חישה (טמפרטורה, לחות, אור סביבה, לחות קרקע) בענן, שינוי מחזור ההשקיה וניתוח התוצאות. המטרה הסופית היא שמיליוני אנשים ישתמשו בצמחים האלה כדי לאסוף ולנתח נתונים מכמה שיותר מקרי חקר. בנוסף לערכת חיבוריות ענן DE10-Nano FPGA, פרויקט זה משתמש בחיישן לחות קרקע ובמשאבת מים עם מפעיל (Actuator)‏) DC‏ (איור 5).

איור 5: בפרויקט EM003, כל נתוני החיישנים עוברים קדם-עיבוד על ידי ה- FPGA, המבקר גם את מחזור ההשקיה של הצמח; לאחר מכן, הנתונים המעובדים נשלחים לענן כדי לשלב אותם עם נתונים מצמחים אחרים עבור הניתוח. (מקור התמונה: InnovateFPGA)

רחפנים עבור ניתוח צריכת המים בחקלאות: אני לא יודע מה איתכם, אבל אני מוקסם מכל מה שקשור לרחפנים, אז פרויקט נוסף שדרש בחינה היה ה- AP008, הכולל רחפן בשם "Agri-Bird" העוזר לזהות את צריכת המים בחקלאות (איור 6). צוות זה ממוקם באיסלמבאד, פקיסטן.

לדברי הצוות, החקלאות משתמשת בכ- 90% מאספקת המים של פקיסטן. אם הדברים ימשיכו בקצב הנוכחי, משאבי המים של המדינה עלולים לאזול עד שנת 2040. כדי למנוע זאת ולספק פתרונות לחקלאי הממוצע, פרויקט AP008 מציע להשתמש בשילוב של נתונים מטאורולוגיים, נתונים מחיישנים על הקרקע ונתונים אוויריים שנאספו על ידי רחפנים כדי ליצור מודל חיזוי צריכת המים.

איור 6: תוך שימוש בנתונים שנאספו באמצעות רחפנים בשילוב עם נתונים ממקורות אחרים, ניתן ליצור מודל של צריכת המים כדי למנוע (א) איבוד יבולים עקב מחסור במים, (ב) איבוד חומרים מזינים לקרקע עקב השקיית-יתר, (ג) ויסות לקוי של ההשקיה, ו- ד) שריפות. (מקור התמונה: InnovateFPGA)

נפטרים מפסולת פלסטיק: יכולתי להמשיך, אבל פרויקט גמר אחד שמעניין אותי אישית הוא ה- AP080, הכולל רובוט חכם קטן שנוסע ברחובות העיר ומזהה ואוסף פסולת מוצרי פלסטיק למיחזור. זה באמת נוגע לכולנו כי אני רואה פסולת פלסטיק בכל מקום שאני הולך בימים אלה (איור 7).

איור 7: זה לא יצטרך להיות ככה אם פרויקט AP080 יממש את הרובוט החכם שלו. בעוד שפרויקט זה מיועד תחילה לרחובות הערים, הוא - או פרויקטים אחרים כאלה - עשויים בסופו של דבר להקל על מכת פסולת הפלסטיק. (מקור התמונה: The Nature Conservatory)

כשהייתי ילד וההורים שלי לקחו אותי לחופשה, אחרי יום על החוף הכלל המשפחתי שלנו היה להשאיר הכל נקי יותר ממה שמצאנו. זה כלל איסוף לא רק של האשפה שלנו, אלא גם כל אשפה אחרת שיכולנו לראות בקרבת מקום. אני מתרגז כשאני רואה אנשים משליכים אשפה כלאחר יד בזמן שהם הולכים או זורקים אותו מחלונות המכונית שלהם. זה יהיה קשה לשכנע אנשים מהסוג הזה להפסיק, אבל ההתנהגות שלהם הייתה מתמתנת אם יהיו לנו רובוטים כמו אלה שהוצעו על ידי הפרויקט הזה, שינקו אחריהם.

המפחיד הוא שככל שהפרויקטים לדוגמה המוצגים כאן מעניינים ומגוונים, אפילו לא גירדנו את פני השטח של כל האפשרויות שהגשות לתחרות אלו מציגות. עצם הבחינה של הפרויקטים ברמה גבוהה גרמה לי לקרוא ללא הרף "אוי, נהדר!", ולעצור כדי לצלול לעומק. למעשה, אני אחזור לסיבוב נוסף ברגע שאסיים לכתוב טור זה.

סיכום

כל ההגשות לתחרות התכנון InnovateFPGA‏ 22‏-2021‏ התקבלו. הצוותים עובדים כעת בחריצות על הפרויקטים שלהם כשהמטרות שלהם מכוונות לגמר האזורי, שיתקיים במרץ 2022, והגמר הגדול, המתוכנן ליוני 2022. אני לא יודע מה איתכם, אבל אני כבר לא יכול לחכות לתוצאות של אתגר מעורר-מחשבות זה בתזמון הזה.