Le cuffie AR ai raggi X che potrebbero rivoluzionare il settore industriale

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno realizzato una cuffia per la realtà aumentata che offre a chi la indossa una visione a raggi X. L’auricolare combina la visione computerizzata e la percezione wireless per individuare automaticamente un oggetto specifico nascosto alla vista, magari all’interno di una scatola o sotto una pila, per riuscire a guidare l’utente a recuperarlo. Il sistema utilizza segnali a radiofrequenza (RF), che possono passare attraverso materiali comuni come scatole di cartone, contenitori di plastica o divisori in legno, per trovare gli oggetti nascosti precedentemente etichettati con tag RFID, che riflettono i segnali inviati da un’antenna RF. Le cuffie indirizzano chi le indossa, mentre cammina in una stanza, verso la posizione dell’oggetto, che viene visualizzato come una sfera trasparente nell’interfaccia di realtà aumentata (AR). Una volta che l’oggetto è in mano all’utente, le cuffie, chiamate X-AR, verificano che sia stato scelto l’oggetto corretto. Quando i ricercatori hanno testato X-AR in un ambiente simile a un magazzino, l’auricolare è stato in grado di localizzare gli oggetti nascosti entro 9,8 centimetri, in media. E ha verificato che gli utenti avessero preso l’oggetto corretto con un’accuratezza del 96%.

 

La tecnologia dietro le cuffie

Sono cinque gli elementi principali che fan sì che le cuffie possano essere un vero gioiello tecnologico: la visione tramite raggi X, i segnali a radiofrequenza (RF), le interfaccia di realtà aumentata (AR) e i tag RFID, un’antenna ad anello. Andiamo a conoscerli un po’ più nello specifico:

Visione a raggi X

È una tecnologia che consente di vedere attraverso oggetti opachi come tessuti, ossa e materiali metallici. Questa tecnologia si basa sull’uso di raggi X, che sono onde elettromagnetiche ad alta energia in grado di penetrare attraverso molti tipi di materiali. Nella visione a raggi X, una fonte di raggi X viene posizionata da un lato dell’oggetto da analizzare e un rivelatore, posto dall’altro lato, cattura l’immagine del pattern di assorbimento dei raggi. Il pattern di assorbimento dei raggi X varia in base alla densità del materiale attraversato, creando un’immagine che rappresenta la forma interna dell’oggetto. La visione a raggi X è utilizzata in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la diagnostica medica, la sicurezza pubblica e la ricerca scientifica. Ad esempio, la radiografia è un metodo comune di imaging a raggi X utilizzato per la diagnosi di fratture ossee e altre condizioni mediche. La visione a raggi X viene anche utilizzata per ispezionare il contenuto dei bagagli in aeroporto, verificare la presenza di armi o oggetti pericolosi. Inoltre, è utilizzata anche in ambito industriale per ispezionare la struttura interna dei componenti elettronici o dei materiali metallici. Tuttavia, l’uso dei raggi X può essere potenzialmente dannoso per la salute se non vengono adottate le adeguate precauzioni, come la limitazione dell’esposizione ai raggi e l’uso di dispositivi di protezione come schermi piombati o dosimetri per monitorare la dose di radiazioni assorbita.

I segnali a radiofrequenza (RF)

Sono onde elettromagnetiche utilizzate per la trasmissione di informazioni attraverso lo spazio o attraverso un mezzo di trasmissione come un cavo o l’aria. Le onde elettromagnetiche sono un tipo di energia che si propaga nello spazio a una velocità pari a quella della luce. I segnali RF possono avere una vasta gamma di frequenze, che vanno dalle frequenze estremamente basse, utilizzate per la trasmissione di segnali radio di ampiezza modulata (AM) e onde corte, alle frequenze molto elevate utilizzate per la trasmissione di segnali Wi-Fi, Bluetooth e cellulari. I segnali RF sono utilizzati in molte applicazioni, tra cui la trasmissione di informazioni attraverso i canali radio, la comunicazione satellitare, la radiodiffusione, la televisione, la telefonia mobile e molte altre. La loro capacità di trasmettere informazioni attraverso grandi distanze li rende un mezzo importante per la comunicazione a livello globale.

L’interfaccia di realtà aumentata (AR)

È una tecnologia che consente di sovrapporre elementi digitali, come immagini, video e altri dati del mondo reale attraverso un dispositivo come uno smartphone, un tablet o un visore AR. L’AR utilizza la fotocamera del dispositivo per acquisire l’immagine del mondo reale e la processa attraverso un software che aggiunge elementi digitali in tempo reale, consentendo agli utenti di vedere e interagire con gli oggetti digitali come se fossero presenti nello spazio reale. L’AR ha molte applicazioni, tra cui il gioco, l’istruzione, il design, la formazione, la pubblicità e molte altre. Ad esempio, i giochi AR possono permettere agli utenti di catturare creature virtuali in ambienti reali, mentre le applicazioni di formazione possono fornire istruzioni dettagliate su come eseguire una particolare attività in un ambiente simulato. Le interfacce di realtà aumentata sono una tecnologia emergente con un grande potenziale, e stanno diventando sempre più comuni grazie alla diffusione dei dispositivi mobili e degli occhiali AR.

 

I tag RFID (Radio Frequency Identification)

Sono dei dispositivi che utilizzano la tecnologia radio per identificare e tracciare gli oggetti. Ogni tag RFID contiene un microchip con un codice univoco e un’antenna per la trasmissione di segnali radio. Il funzionamento dei tag RFID avviene attraverso la comunicazione wireless tra il tag e un lettore RFID. Il lettore invia un segnale radio al tag, che a sua volta risponde con il proprio codice identificativo. Il lettore decodifica il segnale ricevuto e trasmette le informazioni al sistema di gestione dei dati. I tag RFID sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, tra cui la tracciabilità degli oggetti nei magazzini e nei processi di produzione, la gestione delle scorte, il controllo degli accessi, la gestione dei parcheggi. Grazie alla capacità di memorizzare informazioni specifiche su ogni oggetto, i tag RFID possono migliorare l’efficienza dei processi di gestione e ridurre i tempi di attesa. Inoltre, l’uso dei tag RFID può essere esteso anche alla gestione della catena di approvvigionamento, migliorando la visibilità e il controllo sul flusso dei prodotti lungo la catena di distribuzione.

L’antenna ad anello

E’ un tipo di antenna a filo utilizzata per la trasmissione e la ricezione di onde elettromagnetiche, come quelle utilizzate nelle comunicazioni wireless. L’antenna ad anello è costituita da un anello metallico e il funzionamento si basa sulla creazione di un campo magnetico intorno all’anello che emette l’onda elettromagnetica. Quando il segnale viene alimentato anello, viene creata una corrente circolare, generando un campo magnetico intorno all’anello che produce l’onda. Le antenne ad anello sono utilizzate in diverse applicazioni, come le comunicazioni radio, la navigazione GPS, l’astronomia radio e la ricerca scientifica. Grazie alla loro forma compatta e alla facilità di costruzione, le antenne ad anello sono spesso utilizzate in dispositivi portatili come telefoni cellulari, tablet e dispositivi di comunicazione wireless. Inoltre, l’antenna ad anello ha un’ampia banda di frequenza e una direttività uniforme, il che significa che è in grado di ricevere e trasmettere segnali in diverse frequenze e in diverse direzioni. Tuttavia, l’antenna ad anello può essere sensibile alle interferenze e alle distorsioni del segnale, e la sua efficienza dipende dalla dimensione e dalla forma dell’anello.

Trasformare un auricolare in un auricolare con visione a raggi X grazie al la SAR

Per creare un auricolare per la realtà aumentata con visione a raggi X, i ricercatori hanno dovuto innanzitutto dotare un auricolare esistente di un’antenna in grado di comunicare con gli oggetti dotati di tag RFID. La maggior parte dei sistemi di localizzazione RFID utilizza antenne multiple posizionate a metri di distanza l’una dall’altra, ma i ricercatori avevano bisogno di un’antenna leggera che potesse raggiungere una larghezza di banda sufficiente per comunicare con i tag.  Il team ha optato quindi per una semplice e leggera antenna ad anello. Poiché le antenne funzionano tipicamente all’aria aperta, l’hanno ottimizzata per inviare e ricevere segnali quando è attaccata al visore delle cuffie. Una volta costruita un’antenna efficace, il team si è concentrato sul suo utilizzo per localizzare gli oggetti dotati di tag RFID. Hanno sfruttato una tecnica nota come radar ad apertura sintetica (SAR), che è simile al modo in cui alcuni velivoli (ad esempio i droni) fotografano gli oggetti a terra. SAR è un metodo di elaborazione dei segnali radar utilizzato per generare immagini ad alta risoluzione di oggetti e terreni. Questa tecnica impiega un’antenna radar per trasmettere onde radio ad alta frequenza verso l’oggetto o il terreno di interesse per poi rilevare le onde riflesse. Le informazioni ottenute sono quindi elaborate in modo da generare un’immagine bidimensionale o tridimensionale dell’oggetto o del terreno. SAR è in grado di produrre immagini ad alta risoluzione, anche in condizioni di scarsa visibilità, come durante la notte o in presenza di nuvole. Inoltre, il metodo SAR utilizza una singola antenna per la trasmissione e la ricezione, è quindi possibile ottenere immagini anche quando l’oggetto o il terreno di interesse si trova in movimento.

Applicando la tecnica SAR, il visore X-AR effettua misurazioni con la sua antenna da diversi punti di osservazione mentre l’utente si muove nella stanza, successivamente combina queste misurazioni. Questa pratica è definibile come auto-tracciamento. In questo modo, agisce come un array (gruppo) di antenne in cui le misurazioni di più ripetitori vengono combinate per localizzare un dispositivo.  X-AR utilizza i dati visivi provenienti dalla capacità di auto-tracciamento delle cuffie per costruire una mappa dell’ambiente e determinare la propria posizione all’interno dello spazio circostante. Mentre l’utente cammina, il visore calcola la probabilità che il tag RFID si trovi in ogni posizione. La probabilità sarà massima nella posizione esatta dell’etichetta, quindi utilizza questa informazione per individuare l’oggetto nascosto.

“Sebbene ciò abbia rappresentato una sfida durante la progettazione del sistema, nei nostri esperimenti abbiamo scoperto che funziona bene con il movimento naturale dell’uomo. Poiché gli esseri umani si muovono molto, ci permette di prendere le misure da diverse posizioni e di localizzare con precisione un oggetto”, spiegano gli ingegneri.

Una volta che X-AR ha localizzato l’oggetto e l’utente lo prende, l’auricolare deve verificare che l’utente abbia afferrato l’oggetto giusto.  Una volta indossate le cuffie, l’utente utilizza dei menu per selezionare un oggetto da un database di oggetti etichettati.

Una volta localizzato, l’oggetto viene circondato da una sfera trasparente, in modo che l’utente possa vedere dove si trova nella stanza. Poi il dispositivo proietta la traiettoria di quell’oggetto sotto forma di passi sul pavimento, che possono aggiornarsi dinamicamente mentre l’utente cammina.

Prova dell’auricolare

Per testare X-AR, i ricercatori hanno creato un magazzino simulato riempiendo gli scaffali con scatole di cartone e bidoni di plastica e posizionandovi all’interno articoli dotati di tag RFID. Hanno scoperto che X-AR è in grado di guidare l’utente verso un articolo mirato con un errore inferiore a 10 centimetri: ciò significa che in media l’articolo si trovava a meno di 10 centimetri dal punto in cui X-AR lo indirizzava. I metodi di base testati dai ricercatori avevano un errore medio di 25-35 centimetri. Inoltre, il 98,9% delle volte ha verificato che l’utente avesse preso l’oggetto giusto. Ciò significa che X-AR è in grado di ridurre gli errori di prelievo del 98,9%.

La precisione è stata addirittura del 91,9% quando l’articolo era ancora all’interno di una scatola. “Il sistema non ha bisogno di vedere visivamente l’articolo per verificare che sia quello giusto. Se ci sono 10 telefoni diversi in confezioni simili, il sistema potrebbe non essere in grado di distinguerli, ma può guidarvi a prendere quello giusto”, commentano i ricercatori del MIT.

Ora che hanno dimostrato il successo di X-AR, il prossimo passo dei ricercatori è quello di migliorare l’antenna in modo che il suo raggio d’azione possa superare i 3 metri ed estendere il sistema per l’uso di più cuffie coordinate. “Poiché oggi non esiste nulla di simile, abbiamo dovuto capire come costruire un tipo di sistema completamente nuovo dall’inizio alla fine”, spiegano.

 

• Augmenting Augmented Reality with Non-Line-of-Sight Perception (www.mit.edu)