Dipartimento di Eccellenza MIUR

Il Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione “Guglielmo Marconi” (DEI) è stato riconosciuto tra i Dipartimenti di Eccellenza italiani e ha ricevuto un finanziamento straordinario di 9.350.000 € dal Ministero dell’Istruzione e dell’Università per un progetto di sviluppo quinquennale. Tale progetto è risultato tra i 180 vincitori a livello nazionale del Bando previsto dalla Legge Finanziaria 232 del 2016, finalizzato a finanziare i migliori 180 Dipartimenti delle Università Statali.

Il progetto e gli obiettivi

Una delle principali sfide tecnologiche per concretizzare la visione di Industria 4.0 è la creazione di un continuo tra i sistemi embedded, che interagiscono direttamente con il mondo fisico tramite sensori ed attuatori, i sistemi di comunicazione, controllo, elaborazione e memorizzazione dei dati digitali, e gli utenti finali. L’obiettivo è lo sviluppo di sistemi ciberfisici (cyberphysical systems - CPS), in cui i dispositivi connessi all'ambiente fisico e interconnessi medianti reti wireless possono raccogliere, scambiare e memorizzare grandi quantità di dati (big data), accedendo a servizi digitali distribuiti (cloud) per analizzarli ed estrarne conoscenza (big data analytics) per il loro controllo e l’interazione con gli utenti tramite interfacce uomo-macchina intelligenti (smart human-machine interfaces). I sistemi CPS sono stati identificati come una delle tecnologie strategiche per il digital single market nel programma Horizon2020 a partire dal 2015 e sono area di priorità strategica per la NSF USA dal 2006.

Il progetto mira a sviluppare conoscenza e tecnologie per la creazione di Sistemi Ciberfisici di Precisione (precision cyberphysical systems – P-CPS). Si pone l’enfasi sull’attributo “di precisione” con una connotazione spazio-temporale e centrata sull’utente: è essenziale che l’interazione con il mondo fisico abbia luogo non solo in modo altamente affidabile, ma anche con elevata precisione nel tempo (real-time), nello spazio (localized) e con una personalizzazione per l’utente finale (user-centric). In termini concreti e quantitativi, un sistema P-CPS deve operare 24/7, portando a termine complesse transazioni distribuite con elevata risoluzione spazio-temporale, nell’ordine rispettivamente dei millisecondi e di millimetri.

Gli ambiti applicativi strategici scelti come pilota per le tecnologie P-CPS sono l’agricoltura di precisione (precision agriculture) e la medicina di precisione (precision medicine). Entrambi hanno un forte impatto in termini di sostenibilità ambientale e sociale: l’agricoltura di precisione consente di ridurre ed ottimizzare l’uso di acqua e di risorse, la medicina di precisione consente di realizzare azioni di prevenzione primaria, riducendo l’uso di risorse tossiche o pericolose per l’uomo.

Le azioni

Ricerca

In linea con l’obiettivo scientifico e tecnologico P-CPS, il DEI mira al raggiungimento dei seguenti macro obiettivi.

Consolidare e rafforzare la posizione di leadership nazionale relativamente alle metodologie e tecnologie abilitanti per i sistemi ciberfisici di precisione. Azioni specifiche riguarderanno il potenziamento e la razionalizzazione di alcuni laboratori di ricerca già esistenti e il completamento del parco laboratori, con l’innesto di competenze specifiche strategicamente rilevanti per i P-CPS e ora assenti in dipartimento.
Soddisfare il fabbisogno di conoscenza e di strumenti avanzati dei settori industriali emergenti quali agricoltura e medicina di precisione, specializzando le tecnologie abilitanti in possesso del DEI. Azioni specifiche in tal senso riguarderanno l’allestimento di due nuove infrastrutture laboratoriali dedicate, strategie di premialità per questi settori e l’attivazione di iniziative didattiche.
Incrementare la cooperazione trasversale tra i diversi gruppi di ricerca del DEI, per favorire un approccio multidisciplinare integrato allo sviluppo dei P-CPS e diventare un punto di riferimento internazionale per queste tecnologie. Azioni specifiche in tal senso riguarderanno la realizzazione di una struttura laboratoriale trasversale P-CPS ad elevato TRL, di raccordo ai laboratori già esistenti, con un approccio tematico ai settori applicativi indicati.
Rafforzare la visibilità a livello nazionale e internazionale, rivestendo un ruolo primario nella partecipazione a bandi competitivi con forte ricaduta socio-economica e di trasferimento tecnologico, con una caratterizzazione di eccellenza nell’ambito dei P-CPS.

Didattica

Il progetto, per quanto riguarda la didattica, si pone i seguenti obiettivi:

Potenziamento - aumento dell’attrattività dell’offerta formativa nel settore dei P-CPS, in particolare in corsi strettamente legati al fabbisogno di personale del tessuto produttivo regionale nei settori consolidati ed emergenti.
Internazionalizzazione - rafforzamento dell’internazionalizzazione dei CdL magistrali della sede di Cesena, favorendo lo scambio di studenti, lo svolgimento di tesi di laurea da e verso l’estero, le chiamate di visiting professors, l’eventuale avvio di un percorso internazionale in BioEngineering, l’attivazione di doppi titoli di laurea e dottorandi in cotutela.
Specializzazione - sostegno ai corsi di dottorato coordinati o partecipati dal DEI e a quelli di prossima istituzione da parte dell’Ateneo di Bologna (Health & Technology), con particolare riferimento a tematiche di ricerca strumentali al perseguimento degli obiettivi del presente progetto.

Personale

Grazie al finanziamento del MIUR, e grazie anche a risorse messe a disposizione dal Dipartimento e dall’Ateneo, si vogliono rafforzare le competenze nel tema P-CPS mediante l’assunzione di:

3 professori di prima fascia
1 professore di seconda fascia
2 ricercatori di tipo RTD-b
2 unità di personale tecnico-amministrativo
12 posizioni di dottorato
13 posizioni di assegnisti di ricerca

Laboratori

Nel corso di questo progetto, si intendono istituire nuovi laboratori di ricerca specifici per le tematiche trattate e rafforzarne altri già a disposizione del dipartimento nelle sue due sedi di Bologna e Cesena.

Rafforzamento di laboratori di base
Il DEI intende potenziare e consolidare i laboratori di base, con quote assegnate sulla base di richieste per attrezzature specifiche, opportunamente giustificate e contestualizzate relativamente all'impatto sulle tecnologie abilitanti per i P-CPS.
Laboratorio Salute 4.0
Il laboratorio sarà collocato nel nuovo Campus di Cesena. Le aree della medicina di precisione a cui applicare i sistemi P-CPS oggetto dell'attività del laboratorio sono:
1. Human Movement Analysis & Personal Health Systems: motion capture basato su sensing eterogenei, monitoraggio dell'attività fisica e dello stato cognitivo.
2. Model-based design of Medical CPS: per applicazioni in ambito ospedaliero ed extra-ospedaliero.
3. Ingegneria dei tessuti biologici e biologia sintetica: applicazioni avanzate in diagnostica molecolare, medicina rigenerativa e oncologia.
4. Diagnostica per immagini avanzata: elaborazione 2D e 3D di bioimmagini per lo sviluppo di tool di supporto alla formulazione di diagnosi e al monitoraggio di terapie.
5. Modellistica neurocomputazionale e neuroenhancement per interazione uomo-ambiente: progettazione di strategie innovative di riabilitazione di pazienti con deficit neurologici.
Field Lab
Il laboratorio sarà in un frutteto di circa 2 ettari presso la Scuola di Agraria di UNIBO. Le aree dell'agricoltura di precisione a cui applicare i sistemi P-CPS oggetto dell'attività sono:
1. Monitoraggio massivo di dati: reti di sensori intelligenti, low-power e autoalimentati (energy harvesting), connessi in rete che acquisiscono in modo ottimizzato notevoli quantità di dati (misura di temperature, umidità, composizione chimica, immagini, ...).
2. Mappe di prescrizione: algoritmi per l'analisi intelligente dei dati, in grado di individuare presenza di specifici patogeni, o di effettuare previsione qualitative e quantitative di produzione.
3. Sistemi robotici: veicoli autonomi aerei (droni) per il trasporto di sensori, e veicoli autonomi terrestri (rover) per la manipolazione di prodotto o per l'effettuazione di lavorazioni del terreno.
Laboratorio P-CPS
Laboratorio trasversale sui P-CPS in grado di specializzare le tecnologie a basso TRL derivanti dai laboratori di base, integrarle e portarle a un TRL più elevato. Sono previste 3 sezioni:
1. Sezione di Informatica Industriale: Nuovo laboratorio di ricerca di base informatico-industriale per lo sviluppo di P-CPS integrati su sistemi embedded real-time interconnessi e per l'elaborazione dei dati risultanti. Il laboratorio avrà accesso alla banda e alle infrastrutture big-data ed HPC del CINECA.
2. Sezione ad allocazione dinamica a progetto: Incubatore di tecnologie P-CPS, basato sulla specializzazione e integrazione di tecnologie sviluppate nei laboratori di base.
3. Sezione di Prototipizzazione e Caratterizzazione P&C: Area dedicata ad ospitare strumentazione e equipaggiamento di prototipizzazione rapida, caratterizzazione e verifica di prototipi. L'equipaggiamento sarà prevalentemente conferito dai laboratori preesistenti del DEI in ottica di ottimizzazione della gestione delle risorse.

I tempi

2018-2019

Personale
Lo sviluppo del progetto prevede l'attivazione di quante più posizioni possibili nel primo periodo, in modo tale da avviare in modo efficace le attività previste.

Laboratori

Avvio del lab P-CPS e lancio dei progetti pilota
Implementazione laboratorio Salute 4.0
Avvio attività del Field Lab
Potenziamento laboratori di base

Didattica

Attivazione del nuovo Corso di Dottorato Health & Technology
Pubblicizzazione sui canali online e tradizionali (di Ateneo, FB, Twitter, eventi europei, ecc.) dell’offerta formativa in lingua inglese
Contratti per la didattica (Visiting professor, tutor, ...)
Attivazione di 4+3 Borse di dottorato

2020-2022

Laboratori

Consolidamento e autosostentamento del lab P-CPS
Implementazione progetti pilota nel lab Salute 4.0
Completamento Field lab e implementazione progetti pilota
Consolidamento laboratori di base

Didattica

Contratti per la didattica (Visiting professor, tutor, ...)
Attivazione di 5 Borse di dottorato
Iniziative di internazionalizzazione dell’attuale CdS a Cesena ed eventuale avvio di in un percorso internazionale in BioEngineering