Ingegneria dei Sistemi e delle Comunicazioni

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A) Finalità e Obiettivi

L’area strategica “Ingegneria dei sistemi e delle comunicazioni” è un macro settore scientifico che comprende al suo interno la ricerca nei campi dell’elettronica, delle comunicazioni, dell’ottica, dei campi elettromagnetici e dell’ingegneria dei sistemi. Con riferimento ai panels ERC, copre i temi di ricerca dell’intero settore PE7 “Systems and Communication Engineering”.

L'obiettivo principale di questa area progettuale è quello di espandere e promuovere la ricerca nell'industria manifatturiera e presentarsi come un polo di ricerca in relazione al mondo industriale, avvicinando il mondo della ricerca alle esigenze industriali. L’area ha finalità scientifica e divulgativa nel campo dei sistemi di elaborazione delle informazioni, con metodi e tecnologie che spaziano su tutti gli aspetti relativi a un sistema di elaborazione, quelli hardware e quelli software, i sistemi operativi, le reti di elaboratori, le basi di dati e i sistemi informativi, i linguaggi di programmazione l'ingegneria del software, l'interazione persona‐calcolatore, il riconoscimento dei segnali e delle immagini, l'elaborazione multimediale, la gestione dei documenti e dei processi, i linguaggi e le tecniche di ricerca per il web, i sistemi di gestione delle biblioteche digitali e per la ricerca di informazioni su basi documentali, l'ingegneria della conoscenza, l'intelligenza artificiale e la robotica. Rientrano le competenze relative al progetto e alla realizzazione di impianti informatici e varie applicazioni dei sistemi di elaborazione, compresi i sistemi integrati (embedded) e quelli pervasivi, ovvero sistemi in cui l’elaborazione dell’informazione è integrata in modo trasparente negli oggetti di uso comune e nelle attività quotidiane.

L’area si interessa anche di attività scientifiche nel campo delle comunicazioni. In tale ambito, la finalità è la pianificazione, la progettazione, la realizzazione (hardware e software) e l’esercizio di apparati, sistemi e infrastrutture per applicazioni finalizzate: al trasferimento di segnali via cavo (rame o fibra), via radio (terrestre o satellitare) o altri mezzi di propagazione, con l’impiego di tecnologie specifiche come quelle ottiche e per comunicazioni mobili; al trattamento di segnali mono/multidimensionali a scopo di filtraggio, riduzione di ridondanza, sintesi, estrazione di elementi informativi; al riconoscimento di forme per l’interpretazione semantica del contenuto informativo di segnali ed immagini; all’interconnessione in rete per il trasporto dell’informazione e per l’utilizzazione di servizi interattivi/distributivi, nel quadro di applicazioni quali quelle telematiche; al telerilevamento per la localizzazione/identificazione di oggetti fissi/in movimento nel controllo del traffico aereo/marittimo/terrestre e nel monitoraggio ambientale. Data l’eterogeneità dell’area, vengono svolti studi anche su metodi e tecnologie per il trattamento dell’informazione finalizzati alla gestione ed al controllo automatico ed in tempo reale di impianti, processi e sistemi dinamici in genere, con applicazioni che abbracciano diverse aree dell’ingegneria. L’approccio integrato tra ingegneria dei sistemi e automatica consente di unificare le metodiche di progetto per conferire forme di intelligenza ai sistemi artificiali che assicurino, senza l’intervento dell’uomo o al servizio dell’uomo, comportamenti programmati, adattabilità a mutate condizioni ambientali, autodiagnosi dei guasti e ripristino di condizioni di normale funzionamento. A tali competenze si uniscono quelle con più rilevanti contenuti di carattere tecnologico che riguardano, ad esempio, i dispositivi e le apparecchiature per l’implementazione del controllo (attuatori), i sensori e l’elaborazione dei dati sensoriali, le interfacce uomo‐macchina, la robotica e la meccatronica. Da evidenziare, infine, le attività scientifiche riguardanti i campi elettromagnetici, in cui sono rilevanti gli studi sulla propagazione libera e guidata, sui metodi di progettazione e caratterizzazione dei circuiti e delle antenne, assieme all’analisi dei problemi di elettrodinamica, radiazione e diffrazione. Gli studi sulla propagazione sono indirizzati verso la caratterizzazione del canale trasmissivo per le comunicazioni, fisse e mobili, per i componenti e i sistemi ottici. La progettazione dei circuiti passivi, attivi e delle antenne ad altissima frequenza richiede lo studio di situazioni molto complesse, costituendo l’ambito dei componenti e circuiti e sistemi a microonde e a onde millimetriche. Analoghe considerazioni valgono per i circuiti e tecnologie ottiche e fotoniche. Il rilevamento mediante campi elettromagnetici trova numerose applicazioni. La più nota riguarda l’osservazione della terra mediante radar, lidar e sistemi radiometrici, fondamentale per le applicazioni di diagnostica ambientale, nonché in applicazioni aeronautiche ed aerospaziali. Altre importanti applicazioni riguardano la diagnostica biomedica e dei sistemi elettronici e quella dei materiali in ambito civile ed industriale, nonché la caratterizzazione degli ambienti complessi in applicazioni logistiche e di “safety & security”. Le interazioni tra i campi elettromagnetici e i sistemi biologici trovano interessanti applicazioni protezionistiche e biomedicali. Infine, altre attività del settore sono destinate allo sviluppo di materiali artificiali (metamateriali) per le applicazioni dell’elettromagnetismo, nonché alle tecniche di analisi e progetto di micro e nano‐strutture comandate elettricamente per applicazioni di nanotecnologia e/o biomediche.

B) Contenuto Tecnico Scientifico

Le attività tecnico‐scientifiche di quest’area strategica si articolano in 13 aree progettuali, nei sintetici contenuti di seguito presentati, che vedono il coinvolgimento di tutti gli Istituti afferenti al Dipartimento e una forza lavoro prevalentemente specializzata in Scienze Informatiche e Ingegneria dell'informazione, Scienze matematiche e Scienze e tecnologie dei materiali. Il quadro complessivo delle aree progettuali afferenti all’area strategica “Ingegneria dei sistemi e delle comunicazioni”, con l’elenco degli Istituti partecipanti, è riportato nella tabella presente nel paragrafo di presentazione delle priorità strategiche.

Lo sviluppo di nuovi componenti e sistemi comprende diverse attività, tra cui la formulazione di concetti, l'analisi, la modellazione, la progettazione, la produzione, l'integrazione e il collaudo. Questi principi sono implementati per tre aree principali, vale a dire fotonica, tecnologie e dispositivi a microonde e onde millimetriche e tecnologie micro e nanoelettroniche. La produzione e la valutazione delle prestazioni vengono eseguite in laboratori ad alta tecnologia. A seconda della specifica maturità tecnologica, le attività sono svolte nell'ambito di programmi finanziati da agenzie (Commissione europea, Agenzia spaziale europea, Agenzia spaziale italiana, Fusion for Energy, MISE, MIUR) per ricerche fondamentali e da contratti industriali con aziende nazionali. L'obiettivo di questo ambito è di potenziare lo sviluppo di nuovi componenti e tecnologie disponibili per le applicazioni ICT, tra cui reti terrestri e satellitari 5G di prossima generazione, Internet of Things (IoT), osservazione della Terra, monitoraggio ambientale, diagnosi di strutture civili e patrimonio culturale, Industria 4.0, automobilistico, benessere e assistenza sanitaria. I ricercatori di quest’area partecipano a agenzie e comitati di reti, in modo da contribuire alle roadmap e agende strategiche che definiscono le attività da attuare nel futuro, tra cui: Produzione digitale di prodotti a microonde / onde millimetriche; Monitoraggio e test elettromagnetici flessibili tramite sistemi RF basati su UAV; Circuiti attivi implementati con le più recenti tecnologie di dispositivi (GaN, pHEMT, mHEMT); Gyrotron con carichi fittizi con potenze fino a pochi MW (2 o più) in CW; Sistemi GPR che sfruttano nuove piattaforme di osservazione (UAV); Consolidamento dei sistemi di imaging THz; Sensori di nanofibre polianiline, magneto‐ottici, magnetici Si‐integrati e nanoelettronici; Interfaccia tra la segnalazione umana e cerebrale per il controllo diretto ottimizzato di dispositivi, protesi e stato di salute. Ulteriori attività di ricerca in quest’area seguono quattro tematiche principali. Vanno segnalate anche le ricerche orientate alla progettazione, sviluppo e valutazione di soluzioni ICT e ingegneristiche per la diagnosi e la terapia in medicina. A tale scopo, le attività scientifiche sono condotte applicando ingegneria a sistemi biologici e tecnologie biomediche, coinvolgendo competenze estremamente diverse: bioingegneria, elettronica applicata, elettromagnetismo applicato e microonde, biologia computazionale, bio‐modellizzazione e sistemi di controllo, ingegneria di sistemi e comunicazioni, teoria dell'informazione, informatica pervasiva e mobile, intelligenza artificiale e analisi dei dati, robotica e realtà virtuale / aumentata. Sono stati identificati altre tematiche su cui la ricerca in ingegneria sanitaria dovrà investire nel prossimo futuro. Tra queste, la robotica di servizio, le tecnologie per la protezione della salute e dell'ambiente, la modellazione e l’approccio computazionale alla medicina, gli strumenti e le attrezzature necessarie per il progresso della diagnosi e della terapia e tecnologie per la gestione dei sistemi sanitari. In linea con questa tendenza le ricerche portate avanti in questo campo sono così riassumibili:

  • Soluzioni digitali per la salute durante tutto il corso della vita (DIGHEALTH);
  • Servizio robotica (S‐ROB);
  • Salute ambientale e sociale (ENVHEALTH);
  • Modelli in silicio per la salute (MODELLO‐H);
  • Strumenti, tecnologie e dispositivi per diagnosi e terapie avanzate (HTECH);
  • Strumenti per la medicina personalizzata (T‐PERMED);
  • Sistemi di e‐Health e assistenza sanitaria (E‐HEALTH).
La crescita della ricerca biotecnologica e dell'industria connessa, negli ultimi anni, non ha precedenti. I progressi nella modellistica molecolare, nella caratterizzazione della malattia, nella scoperta di farmaci, nell'assistenza sanitaria personalizzata e nell'agricoltura hanno un impatto fondamentale sulle questioni economiche e sociali. Questa crescente importanza non è solo dovuta al fatto che la bioinformatica gestisce grandi volumi di dati, ma anche all'utilità degli strumenti di bioinformatica per prevedere, analizzare e aiutare l'interpretazione nei risultati clinici e preclinici. Le ricerche portate avanti nelle biotecnologie sono pienamente in linea con le priorità europee: analisi, gestione e integrazione di big data biologiche; sviluppo di approcci basati sulla rete per la medicina di precisione; biofotonica; bioprocesso e ingegneria dei tessuti; strumenti software matematici per bioingegneria e biologia; bio‐sensori. In particolare, si tratta di nuove tecniche di analisi sui big data per far fronte al crescente volume di dati genomici e proteomici; sistemi di gestione di database biologici; sviluppo di algoritmi statistici di apprendimento automatico; analisi dei dati e modelli predittivi.

L'osservazione aerospaziale e terrestre ha sempre svolto un ruolo fondamentale nel DIITET. Il CNR è infatti accreditato da studi settoriali specifici a livelli di eccellenza scientifica internazionale nel campo del telerilevamento. Molti Istituti sono coinvolti in diversi progetti che riguardano l'esplorazione dello spazio e l'aeronautica. Le ricerche condotte in quest’area progettuale riguardano lo sviluppo di numerose tecnologie, classificate come upstream e downstream, dedicate all'esplorazione dello spazio e della terra. Le prime riguardano l'invio di oggetti nello spazio e l'esplorazione dello spazio, che orientano la fornitura di tecnologia. Le seconde riguardano una serie di applicazioni diverse, come i servizi di trasmissione satellitare e l'osservazione della terra, che orientano lo sviluppo di algoritmi e metodologie. Le attività comprendono la sicurezza nello spazio, le tecnologie per l'esplorazione dello spazio e le comunicazioni spaziali, l'aeronautica e la navigazione, le tecnologie di osservazione della terra e gli strumenti ICT. Con riferimento all’osservazione della terra, le competenze sono ampie e coprono i sensori che operano dalla banda ottica fino alle microonde e raggi gamma di origine cosmica, modellistica elettromagnetica e analisi dei dati statistici con le tecnologie e le infrastrutture ICT per la loro gestione, elaborazione e rappresentazione.

C) Infrastrutture di Ricerca

Numerose sono le infrastrutture di ricerca che fanno riferimento ad attività di quest’are. A titolo di esempio, si citano:

  • “SoBigData” ‐ l’infrastruttura europee di ricerca per i Big Data e il Social Mining;
  • “E‐RiHS” (European Research Infrastructure for Heritage Science), “ARIADNE”, “DARIAH ERIC”, “PARTHENOS”, le infrastrutture europee di ricerca per le scienze del patrimonio culturale;
  • “EPOS” (European Plate Observing System), una infrastruttura di ricerca ESFRI pan‐europea nel settore delle scienze della terra solida. EPSOS è al momento in fase di implementazione (EPOS IP), che dovrebbe terminare nel 2019. All’interno di EPOS IP, ricercatori DIITET sono responsabili del WP12 “Satellite Data” che sviluppa la componente satellitare di EPOS.

D) Fonti di Finanziamento

Le aree tematiche e le proposte progettuali afferenti all’area strategica “Ingegneria dei sistemi e delle comunicazioni”, trovano rispondenza nelle aree del programma Horizon 2020 “Leaderischip industriale” (Leadership in Enabling and Industrial Technologies – LEIT) e “Sfide sociali” (Societal Challenges), da cui derivano la maggioranza dei finanziamenti, seguiti dall’utilizzo da fondi nazionali e regionali (PON Ricerca e Competitività e POR regionali), entrate derivanti da contratti con l’industria nazionale nei settori industriali di riferimento per quest’area.