La cooperazione tra le università e le aziende riveste un ruolo chiave nel promuovere l’innovazione e nel favorire lo sviluppo di tecnologie e sistemi elettronici d’avanguardia. Crea una sinergia in cui il sapere accademico si fonde con le esigenze delle imprese contribuendo ad accrescere l’attrattività delle università, la competitività delle aziende, il tasso di occupazione dei laureati e a promuovere la crescita economica e sociale del territorio.

Un esempio tangibile viene dal racconto di Federica Villa e Marco Carminati, ingegneri elettronici e docenti del Politecnico di Milano. In questa intervista per la Società Italiana di Elettronica presentano il progetto in collaborazione con EssilorLuxottica, leader globale nella progettazione, produzione e distribuzione di lenti oftalmiche, montature e occhiali da sole. L’innovazione è parte integrante del DNA del  Gruppo che, con forti investimenti nel futuro del settore, mira ad offrire soluzioni di alta qualità e prodotti dal design sofisticato per rispondere alle esigenze in continua evoluzione dei consumatori di tutto il mondo.

In che modo l’elettronica contribuisce allo sviluppo degli occhiali intelligenti?

“Il punto di incontro tra l’ingegneria elettronica e gli occhiali intelligenti si trova all’interno del centro di ricerca congiunto, EssilorLuxottica Smart Eyewear Lab, nato dalla sinergia tra il Politecnico di Milano e il Gruppo EssilorLuxottica per sviluppare gli occhiali smart del futuro. L’obiettivo è arricchire gli occhiali tradizionali con sensori e intelligenza artificiale, per monitorare i parametri fisiologici e offrire un valore aggiunto rispetto all’ambiente esterno circostante”.

Questo obiettivo ambizioso coinvolge ad oggi un centinaio di ricercatori universitari e aziendali che lavorano alla realizzazione di tecnologie abilitanti che consentano lo sviluppo futuro di occhiali smart, senza trascurarne l’estetica. È una vera sfida per l’elettronica miniaturizzata (nell’ordine dei millimetri), poiché l’obiettivo è integrare sensori tipicamente presenti in dispositivi più voluminosi, come telefoni e orologi, nello spazio ridotto della montatura di un occhiale. I sensori impiegati attualmente in altri dispositivi indossabili integrano la tecnologia basata sull’identificazione della direzione degli occhi, ma richiedono molta energia per l’elaborazione delle immagini. Uno degli stream di ricerca dell’EssilorLuxottica Smart Eyewear Lab è volto a realizzare un sistema che segua la direzione dello sguardo integrando i sensori e l’elettronica di elaborazione all’interno di occhiali iconici e alla moda in maniera non invasiva e con un considerevole risparmio energetico.

Esistono diverse tecniche per realizzare questi sistemi di tracciamento dello sguardo ma quella più consolidata si basa sul principio di illuminazione dell’occhio nella regione dell’infrarosso. L’occhio riflette le lunghezze d’onda dell’infrarosso e quando la pupilla si muove per seguire un soggetto in movimento la quantità di luce riflessa cambia. Questo cambiamento è catturato da una fotocamera e le immagini vengono elaborate per ricavare la direzione dell’occhio trovando applicazioni per esempio nella medicina, nelle scienze comportamentali e nell’interazione uomo-macchina.

Marco Carminati spiega che il progetto a cui stanno lavorando insieme a EssilorLuxottica si scosta dall’approccio tradizionale, perché esso richiede un consumo e un ingombro di risorse hardware piuttosto ingente. Le loro ricerche sono indirizzate verso tecniche alternative per identificare la direzione dello sguardo in maniera accurata, con l’obiettivo di ridurre l’ingombro del sistema e il consumo energetico.

Oltre alla sensoristica, ad avere un ruolo cruciale è il machine learning, con l’obiettivo di sviluppare nuovi algoritmi intelligenti per elaborare i segnali e stimare la direzione dello sguardo.

Oltre al movimento oculare, quali sono gli altri parametri che si possono monitorare tramite gli occhiali intelligenti?

Federica Villa: “Per esempio, l’attività cardiaca, l’ossigenazione, la pressione arteriosa, la frequenza del respiro e altri parametri fisiologici di interesse. Raccogliere questo tipo di informazioni contribuisce al monitoraggio dello stato di salute e benessere dell’individuo che indossa l’occhiale, con potenziali applicazioni sia in ambito clinico che di prevenzione. Ad oggi, l’obiettivo più ambizioso è quello di monitorare le attività riguardanti l’elettrocardiogramma e lo stato di attenzione generale di una persona”.

Ci sono poi sensori che analizzano e raccolgono in tempo reale le informazioni provenienti dal mondo esterno e forniscono un eventuale supporto al soggetto che li indossa. E per ridurre il consumo energetico si sta lavorando a dei sensori che si attivano automaticamente solo al verificarsi di determinate condizioni. Cosicché si possa far funzionare tutto con delle batterie di dimensioni tali da poter essere integrate nella montatura. Per monitoraggi più complessi si potrà ricorrere alla “Sensor Fusion”, una tecnica che combina i dati provenienti da sensori diversi per rendere più accurata la misura dei parametri.

La visione futura è quella di avere tutti i sensori all’interno della montatura e quindi sostituire lo smartphone con gli occhiali anche per chi non ha problemi di vista. L’utente finale dell’azienda, infatti, non è il paziente ma il soggetto comune; per questo gli occhiali devono essere belli da indossare e utili per ascoltare messaggi, telefonare e interagire con l’ambiente esterno”.

Quali sono le applicazioni e le aree di interesse degli occhiali intelligenti?

Il centro di ricerca è orientato all’esplorazione delle tecnologie più avanzate per identificare applicazioni innovative. Le attività di ricerca riguardano diversi settori che possono essere riassunti in tre aree di interesse:

  • il monitoraggio dei parametri fisiologici che consente di valutare lo stato di salute generale di individui sani indipendentemente dalle caratteristiche personali e professionali. Questo approccio copre un ampio spettro di contesti, dall’analisi generale della salute a quella specifica di atleti o persone che svolgono attività fisiche;
  • il miglioramento delle immagini proiettate sulle lenti, integrando la realtà aumentata per aggiungere informazioni derivanti dall’ambiente esterno. Questo può essere utilizzato in diversi contesti dove l’eye-tracking è fondamentale per comprendere cosa l’utente stia osservando e fornire informazioni pertinenti;
  • il monitoraggio e la diagnosi attraverso l’implementazione di tecniche di monitoraggio, attenzione e analisi dei movimenti oculari a fini diagnostici. Questo approccio consente, ad esempio, di comprendere l’evoluzione di malattie attraverso l’osservazione dei modelli di movimento e attenzione visiva.

Qual è stato il vostro percorso formativo e in che modo l’ingegnere elettronico può prendere parte al progetto?

Federica Villa: “Ho conseguito una laurea triennale in ingegneria biomedica per poi proseguire con la magistrale e il dottorato in ingegneria elettronica. Il mio campo di ricerca riguarda i rivelatori di singoli fotoni e circuiti integrati e nel progetto con EssilorLuxottica, mi occupo dell’acquisizione dei parametri fisiologici attraverso gli occhiali. Sono competenze che ho acquisito durante gli anni di collaborazione con l’Ospedale Auxologico e il Don Gnocchi di Milano.”

Marco Carminati: “Sono un ingegnere elettronico e lavoro nel campo dell’elettronica per sensori con un’esperienza legata soprattutto alla conversione della carica generata dal rilevatore di radiazione in un segnale. Nel contesto della collaborazione con EssilorLuxottica, mi occupo di monitoraggio oculare (eye-tracking) per realizzare un sistema che segua la direzione degli occhi integrando i sensori e l’elettronica di elaborazione in maniera non invasiva negli occhiali.”

È possibile entrare a far parte del team di ricerca attraverso un percorso di ricerca accademico insieme al Politecnico di Milano o tramite Executive PhD, o attraverso uno professionale con EssilorLuxottica. I dottorandi avranno l’opportunità di partecipare a progetti specifici, gli studenti del PoliMi saranno coinvolti in attività didattiche e progetti correlati al laboratorio, mentre i ricercatori e i professionisti seguiranno un preciso percorso di ricerca nel contesto del progetto.

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