Progetto NEPTUNE

 

Finanziato dall'Unione europea – NextGenerationEU.   Missione  4 “Istruzione e Ricerca”, Componente [1/2] – CUP: J53D23019900005]

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Descrizione del progetto

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Il progetto NEPTUNE™ si inserisce nel contesto delle iniziative strategiche del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) per promuovere l'innovazione nei settori della robotica e dell'intelligenza artificiale.

Nato per rispondere alle sfide complesse della ricerca e del monitoraggio in ambiente marino, il Progetto ha sviluppato una soluzione tecnologica integrata per la “data awareness” in ambito sottomarino durante processi di digitalizzazione e la valorizzazione del patrimonio naturale e culturale sommerso. L'ambiente marino, che copre oltre il 70% della superficie terrestre, svolge un ruolo cruciale nella regolazione del clima e nel mantenimento della biodiversità, ma è al contempo un contesto operativo estremamente ostile, caratterizzato da difficoltà di accesso, limitazioni nella comunicazione e condizioni ambientali variabili.

In questo scenario, NEPTUNE™ si è proposto come un'iniziativa pionieristica per superare tali barriere, sfruttando le più recenti innovazioni tecnologiche. Questa sezione delinea la visione strategica del progetto, dalla concezione degli obiettivi alla composizione del partenariato, fino alla metodologia che ne ha guidato l'esecuzione, offrendo un quadro completo delle fondamenta su cui si basano i risultati e gli impatti descritti nel seguito di questa relazione.

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Finalità e obiettivi

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Il progetto NEPTUNE™ è stato concepito fin dall'inizio con l'ambizioso obiettivo primario di rivoluzionare l'esplorazione e il monitoraggio degli ambienti marini, agendo su un doppio binario: l'introduzione di una piattaforma tecnologica all'avanguardia e la validazione di un modello di business innovativo "as a service". L'idea centrale era quella di creare un sistema integrato capace di generare "gemelli digitali" (Digital Twins) 4D di ecosistemi sottomarini. Questo non significava solo produrre modelli 3D, ma arricchirli con una quarta dimensione, il tempo, e con dati ambientali georeferenziati, combinando veicoli subacquei (definiti SUMO - Smart Underwater Mobility), sensoristica di precisione e algoritmi di Intelligenza Artificiale (AI) di ultima generazione. Nel corso del progetto, questa visione si è ulteriormente arricchita, introducendo una quinta dimensione (5D) alle ricostruzioni tridimensionali: quella semantica. Attraverso l’uso di modelli di AI Agentica e Multimodale, i dati acquisiti vengono analizzati semanticamente, rendendoli non soltanto visibili nella loro evoluzione temporale, ma anche comprensibili e utilizzabili per l'analisi e il processo decisionale da parte di varie figure professionali interessate agli ambienti ricostruiti.

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Risultati attesi

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    Gli obiettivi iniziali, focalizzati sulla digitalizzazione di due scenari emblematici – il patrimonio naturale della biocenosi del coralligeno nell'Area Marina Protetta di Portofino e quello culturale del relitto della Secca di Capistello a Lipari – sono rimasti il faro strategico per tutta la durata del progetto. L'evoluzione non ha riguardato un cambio di rotta, ma un costante e progressivo affinamento degli strumenti tecnologici per raggiungere tali scopi. La visione architetturale, inizialmente delineata in termini generali nelle prime fasi del progetto, si è rapidamente concretizzata in una soluzione ibrida Cloud/Edge basata su microservizi, capace di gestire l'acquisizione e l'elaborazione dei dati in tempo reale, sfruttando i brevetti e la tecnologia preesistente della capofila.

L'obiettivo di utilizzare l'AI per la ricostruzione 3D ha subito l'evoluzione più significativa: partendo da un'analisi ad ampio spettro delle tecnologie disponibili, documentata nel D2.1, si è passati a un'intensa attività di ricerca e sviluppo sperimentale. Questa fase ha permesso al consorzio di identificare e adottare, con una scelta basata sull'evidenza, la tecnica del 3D Gaussian Splatting (nella sua implementazione SplatFacto) come approccio di elezione, dimostratasi più performante, veloce e adatta alle difficili condizioni dell'ambiente subacqueo rispetto ad altre alternative inizialmente considerate, come NeRF (Neural Rendering Fields).

Il progetto ha quindi mantenuto una considerevole coerenza con la sua visione originaria, passando con successo dalla definizione teorica dei requisiti allo sviluppo di prototipi incrementali (Alpha, Beta eBando per progetti di Ricerca Industriale e Sviluppo Sperimentale nei domini dell’Intelligenza Artificiale e della Robotica - Finale), che hanno dimostrato sul campo la piena fattibilità e l'efficacia dell'approccio proposto, validando il modello di business Underwater Equipment as a Service (U-EaaS) come pilastro per la futura sostenibilità.

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Risultati raggiunti

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Il percorso di ricerca e sviluppo del progetto NEPTUNE™ ha portato al raggiungimento di una serie di risultati concreti e misurabili, che spaziano dalla creazione di una piattaforma tecnologica matura fino a significativi avanzamenti scientifici nel campo della computer vision subacquea. I risultati non sono solo la dimostrazione del successo delle attività pianificate, ma rappresentano anche una solida base per future innovazioni e applicazioni nel settore della Blue Economy.

Il progetto NEPTUNE™ ha prodotto risultati tecnico-scientifici di notevole rilievo, validando un approccio innovativo all'esplorazione marina.

1. Piattaforma U-EaaS (Underwater Equipment as a Service): Il risultato principale è la creazione di una piattaforma software funzionante e matura (Prototipo Finale D3.3), basata su un'architettura ibrida Cloud/Edge e un modello a microservizi. La piattaforma implementa il modello di business U-EaaS, consentendo di configurare "Missioni" subacquee in modo flessibile. Gli utenti possono definire i veicoli SUMO, associare sensori specifici e le relative misure da acquisire, e orchestrare l'esecuzione di algoritmi AI. La piattaforma gestisce l'intero ciclo di vita del dato, dalla raccolta sicura alla certificazione tramite DLT, ponendosi come un vero e proprio sistema operativo per la robotica sottomarina.

2. Integrazione Hardware-Software e Flusso Dati End-to-End: È stata dimostrata con successo la piena integrazione tra i sistemi hardware dei partner (ROV di Ubica e DPV di Immersea) e l'infrastruttura software. I test sul campo (D4.1) hanno validato la capacità del sistema di raccogliere e trasmettere in tempo reale flussi di dati multimodali (video 6K/8K, dati telemetrici da sonde multiparametriche) dall'ambiente sottomarino alla piattaforma cloud. Questo è stato possibile grazie all'implementazione di un robusto canale di comunicazione basato su protocolli standard (MQTT per i dati IoT, RTSP per lo streaming video e OPC UA per l'interoperabilità), garantendo un flusso dati end-to-end affidabile anche in condizioni operative complesse.

3. Avanzamento nel Neural Rendering Subacqueo: Lo studio sperimentale condotto da Next Vision e da MYWAI ha rappresentato un significativo avanzamento scientifico nella computer vision applicata all'ambiente marino. Attraverso un'analisi comparativa rigorosa su dataset reali, l'algoritmo SplatFacto, basato su 3D Gaussian Splatting, è stato identificato come il più performante per la ricostruzione 3D di fondali. Questo approccio ha superato sia le tecniche NeRF tradizionali sia la fotogrammetria classica in termini di qualità del rendering, accuratezza della mesh 3D e velocità di training, dimostrandosi particolarmente adatto a gestire le peculiarità delle immagini subacquee (es. torbidità, illuminazione non uniforme).

4. Creazione di Digital Twins 5D e Fruizione Immersiva: Il progetto ha sviluppato il NEPTUNE 5D TWINS STUDIO, un toolkit software innovativo che permette di andare oltre la semplice visualizzazione 3D. Consente di creare "gemelli digitali" 4D, arricchendo i modelli tridimensionali con la dimensione temporale e con i dati ambientali sincronizzati, permettendo di "rivivere" la missione subacquea. Infine è stata aggiunta la quinta dimensione, quella semantica con l’aggiunta di un modulo per la creazione di Agenti AI a supporto delle Missioni come l’Agente NEMO (NEPTUNE Equipment & Mission Organizer) a supporto della pianificazione operativa delle MISSIONI NETPUNE.

5. Inoltre, è stata realizzata un'applicazione in Mixed Reality per il visore Meta Quest 3, che offre un'esperienza utente immersiva e interattiva, permettendo di esplorare i modelli 3D e di visualizzare i dati scientifici in un ambiente virtuale, con un enorme potenziale per la divulgazione e la formazione.

Il bilancio finale del progetto NEPTUNE™ evidenzia un pieno allineamento con gli obiettivi attesi e, in aree tecnologiche chiave, un loro significativo superamento. L'obiettivo primario di sviluppare una piattaforma funzionante e di validarla in due scenari complessi è stato centrato in pieno, come attestato dal completamento di tutti i Work Package e dal rilascio di tutti i deliverable previsti nei tempi stabiliti.

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NEPTUNE Beyond

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Il progetto ha beneficiato di un'estensione, denominata NEPTUNE BEYOND Missione NEPTUNE PER IGV a Stromboli che ha permesso di estendere le attività di progetto per realizzare una terza Missione presso la stazione di rilevamento dell'INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) a Stromboli, operativa per l'allerta tsunami.

Questa missione, che ha ricevuto l'avvallo del Direttore del Centro Monitoraggio Eolie, mira a dimostrare l'applicabilità della soluzione MYWAI a scenari di manutenzione predittiva in situ e monitoraggio su apparati antropici complessi sottomarini (in questo caso, un sistema composto da boa, stazione sul fondale e raccordo elastico posato da IMMERSEA).

Nella prima fase, sono state gestite la preparazione e l'esecuzione della missione subacquea, completando lo studio ottico-fotogrammetrico per definire i parametri ottimali (illuminazione, esposizione, sovrapposizione) secondo protocolli Structure-from-Motion (SfM) ad alta risoluzione, calibrati per la natura metallica dell'infrastruttura. Le operazione subacquee condotte hanno portato alla raccolta di un dataset costituito da fotografie e video.

Nella seconda fase i dati raccolti sono stati utilizzati per:

• Generare modelli 3D alta fedeltà (partner NextVision, attività già avviata in fase 1)

• Caricare nella piattaforma NEPTUNE tutti i dati visuali e metriche biomarine per permettere un’analisi completa secondo gli standard di piattaforma (partner MYWAI)

• Analisi tecnica e visiva dello stato di conservazione delle componenti attraverso piattaforma NEPTUNE (partner IIS)

• Estendere l’analisi di scalabilità e trasferibilità della piattaforma NEPTUNE verso contesti produttivi antropici, più ampi, con valutazione dei requisiti per l’adozione industrial (MYWAI)

I dati ricostruiti sono stati trasmessi e caricati da MYWAI nei moduli di integrazione della piattaforma NEPTUNE, avviando progettazione di funzionalità basate su AGENTIC AI (Intelligenza Artificiale Agente) e lo sviluppo di un agente chatbot dimostrativo denominato Chatbot NEMO (NEPTUNE MISSION ORGANIZER) finalizzato alla gestione operativa delle campagne di acquisizione dati sottomarine.

 

Soggetto attuatore

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Il successo del progetto si fonda su un partenariato multidisciplinare e sinergico, che ha integrato competenze industriali, tecnologiche e di ricerca scientifica, garantendo la copertura di tutta la catena del valore, dalla sensoristica all'analisi dei dati. La collaborazione tra i partner è stata la chiave per tradurre una visione ambiziosa in una soluzione tecnologica concreta e validata.

MYWAI S.r.l. (Capofila) - In qualità di coordinatore e startup innovativa specializzata in AI, ha guidato la visione strategica e la gestione complessiva. Ha fornito il cuore tecnologico della soluzione apportando come “background knowledge” il proprio brevetto e tecnologia per l’AIoT Management per l’Equipment as a Service (Brevetto n° 102018000005044, rilasciato da UIB, Ufficio Italiano Brevetti, in data 24/08/2020 sviluppando la prima piattaforma AI nazionale per l’Underwater Data Aweress. Il suo ruolo è stato cruciale nell'integrare le diverse component hardware e software in un sistema coerente, definendo l'architettura a microservizi e le procedure di governance che hanno garantito l'allineamento di tutto il consorzio. Ha inoltre sviluppato moduli software specifici come lo NEPTUNE 5D TWINS STUDIO, per la creazione di mondi sommersi 5d, la NEPTUNE™ DLT (Distributed Ledger Technology) per la certificazione dei dati e il NEPTUNE™ STORE, marketpalce condiviso per l’inserimento di veicoli SUMO (Smart Underwater Mobility), Sensori e algoritmi AI per la futura commercializzazione.

Ubica S.r.l. - Partner tecnologico e operativo, ha guidato con successo le attività nello scenario di monitoraggio biologico nell'Area Marina Protetta di Portofino. Ha messo a disposizione le sue profonde competenze di ingegneria marina sviluppando e operando un veicolo subacqueo a controllo remoto (ROV) customizzato, ottimizzato per l'acquisizione di dati ad alta risoluzione in ambienti complessi. Ha integrato nel sistema una sensoristica ambientale avanzata (la sonda open-source "Ocean Pulse") e un sistema di posizionamento acustico USBL. Il suo contributo è stato fondamentale per definire e implementare il rigoroso piano di testing, dimostrando la piena operatività del sistema in condizioni reali.

Immersea S.r.l. - Partner tecnologico e operativo, ha condotto le missioni ad alta Valenza archeologica presso la Secca di Capistello a Lipari, un sito che presenta notevoli sfide operative per via della sua profondità e morfologia. Ha fornito un sistema di acquisizione dati all'avanguardia, basato su un doppio Diver Propulsion Vehicle (DPV) per garantire stabilità e autonomia, equipaggiato con una telecamera 8K per la fotogrammetria e un sistema di navigazione inerziale (dead reckoning). Ha dimostrato una notevole capacità operativa, raccogliendo dataset di altissima qualità in condizioni di immersione tecnica profonda, essenziali per la validazione degli algoritmi di AI.

Next Vision S.r.l. - Spin-off dell’Università di Catania con profonde competenze in computer vision, ha rappresentato il motore della ricerca e sviluppo sugli algoritmi di AI del progetto. Ha condotto un'analisi scientifica comparativa delle tecniche di ricostruzione 3D (NeRF, Gaussian Splatting, etc.), selezionando e ottimizzando le soluzioni più performanti. Il suo lavoro ha permesso di superare i limiti delle tecniche tradizionali in ambiente subacqueo. Ha inoltre sviluppato l'applicazione di fruizione immersiva in Mixed Reality per il visore Meta Quest 3, trasformando i dati scientifici in un'esperienza utente coinvolgente e di alto impatto divulgativo.

Istituto Italiano della Saldatura - Ha svolto un ruolo chiave nella validazione dei risultati e nella valutazione della loro trasferibilità, apportando una prospettiva industriale e garantendo la conformità delle metodologie a rigorosi standard di qualità. Il suo contributo è stato essenziale per assicurare la robustezza e l'applicabilità industriale delle tecnologie sviluppate. Agendo come ente terzo, ha verificato l'efficacia delle soluzioni, ponendo le basi per future certificazioni e facilitando il dialogo tra il mondo della ricerca e quello delle applicazioni industriali, in piena coerenza con gli obiettivi del bando.

 

 

MYWAI S.r.l.

Abbazia dell’Annunziata – Via Portobello, 19 

16039 Sestri Levante (GE)