Un anno di calcoli in un secondo: modelli elettromagnetici in tempo reale

Titolo del progetto di ricerca

321 - from Cubic3 To2 Linear1 complexity in computational electromagnetics

Area scientifica 

Scienze computazionali, Elettromagnetismo numerico, Modellizzazione matematica

Coordinatore

Francesco Paolo Andriulli

Abstract 

Il progetto 321 si propone di trasformare la complessità di calcolo dei modelli matematici dell’elettromagnetismo computazionale, riducendo  drasticamente il tempo delle simulazioni e rendendo possibili innovative applicazioni nello studio dell’attività cerebrale, nelle interazioni mente-macchina, nella diagnostica per immagini e nella dosimetria delle radiazioni elettromagnetiche.

Descrizione del progetto di ricerca 

L'elettromagnetismo computazionale è la disciplina scientifica che studia, attraverso modelli, algoritmi e simulazioni, scenari elettromagnetici complessi in ingegneria e nelle scienze applicate. Le tecnologie moderne nell’ambito dell’elettromagnetismo applicato (come ad esempio apparecchi per risonanza magnetica,  body scanner a microonde e i nuovi dispositivi raidiomobili cellulari) divengono sempre più miniaturizzate e ad alta densità. Questo, nei modelli matematici associati, si traduce in un maggiore numero di gradi di libertà fisici, difficili da gestire in fase di simulazione numerica a causa dei costi di calcolo.  Il progetto ERC 321 si prefigge come scopo principale la riduzione a lineare della crescita cubica di questo costo, da cui l’acronimo 3 2 (to) 1. Quando la complessità raddoppia, mentre con algoritmi di calcolo tradizionali il costo di calcolo aumenta in maniera cubica (viene moltiplicato per 8 ovvero per 23), con l’innovazione proposta nel progetto questo costo aumenta solo linearmente (viene moltiplicato soltanto per 2). Questa riduzione di complessità si traduce in una diminuzione drastica dei tempi di simulazione. Nei casi realistici, con un elevato numero di gradi di libertà, anni di calcoli degli algoritmi standard potranno essere effettuati in pochi attimi, rendendo possibili applicazioni oggi fuori portata.

La ricerca di 321 è inoltre estremamente multidisciplinare e necessita dell’interazione tra ingegneri, matematici, neuroscienziati, informatici. Il progetto costituisce un interessante esempio di come studi teorici possano produrre, oltre ad un avanzamento della conoscenza scientifica nel settore, anche delle ripercussioni sostanziali in ambiti applicativi.

Impatto sulla società 

L’uso delle nuove tecniche di calcolo, che 321 svilupperà, permetterà per esempio di migliorare la diagnostica per immagini e la simulazione dell’attività cerebrale per la diagnosi dell’epilessia, potrà facilitare l’individuazione precoce dei tumori, ma avrà anche applicazioni nell’ambito dell’interazione mente-macchina (possibilità di guidare una sedia a rotelle o comandare un computer con il pensiero) o nelle tecnologie a supporto di nuove forme di psicoterapia come il neuro-feedback.

Un altro importante campo di applicazione è costituito dalla dosimetria elettromagnetica poiché sarà possibile stimare con maggiore precisione e a frequenze più elevate l’irradiamento elettromagnetico di un apparecchio, come è richiesto fare prima dell’immissione sul mercato di telefoni cellulari o strumenti che fanno uso di tecnologie wi-fi.

Breve CV del Coordinatore

Francesco Paolo Andriulli è professore ordinario al Politecnico di Torino dove si è laureato in Ingegneria Elettronica nel 2004. I suoi studi sono proseguiti negli Stati Uniti alla University of Illinois a Chicago per un Master of Science e alla University of Michigan ad Ann Arbor per il dottorato (2008). La sua carriera di ricerca è proseguita in Francia  all’École Nationale Supérieure Mines-Télécom Atlantique (IMT-Atlantique) dove è stato professore ordinario e presso il quale dirige il Computational Electromagnetics Research Laboratory (CERL). É membro di numerose associazioni scientifiche tra cui la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) e la SIAM (Society for Industrial and Applied Mathematics). E’ autore di più di 40  articoli pubblicati su riviste ISI e 80 conference proceedings.

   321 project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme  grant agreement No 724846

  • Data inizio: 1/09/2017
  • Data fine: 31/08/2022