Piantacamera

Testi e immagini di leonardo maffi
Versione 1.0 dell'8 giugno 2004

  – Ciao leonardo, che hai fatto di recente?
– Ho inventato una pianta.
Cosa!? Che significa? A che serve fare una cosa del genere? È tutta fantasia...
– Ehm, volevo dire che ho inventato un nuovo tipo di telecamera da sorveglianza. Beh, sai <sarcasmo> nel mondo di oggi la gente va tenuta maggiormente sott'occhio... </sarcasmo>
– E in che consiste la differenza rispetto ad una telecamera normale?
– Che è una pianta...
– Cosa!?

* * * * * *

Questa neopianta generizzata può essere realizzata con vari livelli di complessità, che per comodità raccolgo in tre progetti di sofisticazione crescente. Moltissimi dettagli sono ancora non del tutto definiti, e per scegliere quali sono i più adatti servirebbero prove pratiche.

Scopi: avere una telecamera adatta a registrare immagini per molto tempo, non adatta all'uso in tempo reale. Può essere usata come telecamera a lungo termine, per immagazzinare immagini per giorni, mesi o anche anni, prima che i filmati vengano raccolti. La telecamera non trasmette le immagini, ma le immagazzina localmente, per cui per leggere le immagini occorre accedere fisicamente alla telecamera. È adatta ad esempio a registrare fenomeni lenti, come lo sviluppo di un cantiere, o il monitorare scene che possono essere analizzate a distanza di giorni, mesi o anni. Questo tipo di telecamera è concepito per essere tra i più economici possibili: ammortizzando i costi di progettazione il suo prezzo può scendere a pochi millesimi di Euro. È adatta specialmente per luoghi dove è presente luce solare e acqua, per cui è preferibile usarla all'esterno (ma con un vaso si può usare anche in ambienti interni).

In breve: si tratta di un seme (simile ad un seme di loto), che se trova terreno adatto, luce solare e acqua, può svilupparsi in una neopianta simile a quelle erbacee. Quando è matura alla sua estremità si sviluppano due, tre o più biotelecamere, che un servomeccanismo contribuisce a mantenere sempre orizzontali. Ogni telecamera immagazzina i suoi fotogrammi uno dopo l'altro in un blocchetto solido. In seguito le telecamere (o anche solo i blocchetti) possono venire staccati e analizzati strato per strato con apparecchiature elettroniche per leggere le immagini dei filmati.

1) Modello semplice

Lo stelo è un singolo tubo a sezione circolare, fatto di tubi messi in circolo circondati da una pellicola. Le foglie sono piccole, e disposte direttamente sullo stelo, in modo da ridurre l'attrito con l'aria, e quindi ridurre le oscillazioni in presenza di vento, che può ridurre la qualità delle immagini. La neopianta possiede un fettone e radici superficiali, che servono per aumentare la stabilità. Sulla cima ci sono alcune telecamere, di solito tre nelle piante mature, puntate in direzioni diverse. La neopianta presenta anche una rete di capillari che contengono una sostanza repellente per molti insetti, utile per non far mangiare foglie e telecamere. Tutte le strutture della neopianta sono verdi e fotosintetizzanti. In terreni aridi, o scarsamente nutritivi, la neopianta sviluppa una sola telecamera, puntata in direzione a caso. Gli steli della neopianta possono crescere più o meno in modo da superare le erbe circostanti e avere una vista migliore, comunque la neopianta non supera mai i 120 cm di altezza. I semi sono sferici, neri, coperti di cuticola dura, e commestibili anche da umani. La neopianta è sterile, e non si riproduce in nessun modo; e anche le talee è molto difficile che attecchiscano, questo rende questa neopianta ecologicamente più compatibile. La produzione dei semi avviene in laboratorio, da piante riproduttrici prive di telecamere, che producono molti semi a costo minimo.

Le telecamere sono molto semplici. Hanno una struttura a foro stenopeico, coperto da una membrana trasparente. Dietro il foro c'è una camera piena d'acqua. La luce proveniente dal foro colpisce il fondo della camera, che presenta materiale sensibile, capace di registrare le immagini in modo irreversibile. Il materiale sensibile continua a crescere a partire dal fondo, formando un cilindretto (6-8 mm di diametro) che fuoriesce dal retro della telecamera. Il cilindretto è una registrazione solida delle immagini, registrate sotto forma di strati. Le immagini vengono riprese continuamente, per cui la registrazione temporale nel blocchetto è continua, e non ad istanti temporali discreti come nelle pellicole cinematografiche.

La risoluzione spaziale delle immagini riprese può essere molto buona, anche molto maggiore delle telecamere elettroniche disponibili oggi. Questo blocchetto di memoria immagazzina immagini in bianco e nero.

Il cilindretto è coperto da una cuticola protettiva impermeabile e resistente, simile alla cuticola dei semi di loto.

Esistono vari metodi per creare una memoria visiva solida. Due dei metodi che mi paiono più interessanti sono i seguenti:

a) Nell'acqua della telecamera sono presenti proteine (prodotte dalle ghiandole che stanno intorno alla camera stessa. Tali ghiandole non sono presenti se viene usato un altro modo per immagazzinare le immagini.) che si depositano sul cilindretto, che così si accresce. Le proteine possono essere fotosensibili. Esistono molti modi diversi per progettare questo, ad esempio le proteine possono avere tre possibili configurazioni, una quando sono libere, e due diverse quando sono legate ad altre proteine (si presume che non si depositino su altre pareti della telecamera, e che non si aggreghino tra loro nel liquido). Le due configurazioni "fissate" sono diverse se sono state illuminate o meno. Esistono altre possibilità, ad esempio la presenza di due diverse proteine, che si legano alle altre già depositate solo se sono rispettivamente al buio o alle luce. Un problema è che anche le proteine disciolte nel mezzo acquoso vengono investite dalla luce.

b) Un metodo diverso, che risolve il problema delle proteine che incontrano la luce anche quando si trovano nel mezzo acquoso, è far sì che il cilindretto di memoria sia come una corteccia: cioè la faccia interna esposta alla luce è una superficie fatta di cellule vive sensibili alla luce. Man mano che si riproducono, muoiono. Le cellule vive rimangono alla luce, e quelle morte vengono spinte a fuori, facendo accrescere il cilindretto di memoria (comunque in entrambi i casi non so come far muovere il cilindretto stesso.) Il mezzo acquoso fornisce nutrienti alle cellule sensibili. Il vantaggio è che le cellule fotosensibili possono avere comportamenti complicati a piacere.

Tra i due design forse quello cellulare è il più semplice, ma forse richiede un poco più di risorse alla neopianta per far produrre il cilindretto stesso (dato che tali cellule hanno un metabolismo, eccetera).

Lettura della memoria: con le mani si stacca il cilindretto della memoria (o si stacca tutta la telecamera, poi ne crescerà un'altra). (Volendo prima di raccogliere una telecamera ci si può segnare dove si trova la neopianta e quale è la direzione nella quale la telecamera sta guardando.) La lettura della memoria distrugge la memoria stessa. Ci sono vari metodi possibili per leggere la memoria:
a) Si taglia via una fetta sottilissima dal cilindretto (ad esempio un centesimo di millimetro), usando una lama diamantata, oppure facendo sublimare lo straterello di materiale usando un laser. Poi si legge l'immagine dello strato successivo, e lo si immagazzina in un computer. Poi si affetta via lo straterello, e si prosegue. Dato che la crescita del blocchetto non è perfettamente uniforme, ecc, in realtà i singoli-strati immagine vanno estratti dal modello volumetrico 3D ricostruito nel computer (cioè i singoli strati delle immagini non sono quasi mai allineati perfettamente con le fette, per cui di solito ogni taglio taglia trasversalmente alcune immagini vicine.). Questo metodo è adatto sia per i cilindretti fatti di cellule, che quelli fatti di sole proteine. Il metodo con la lama può essere utile anche per tagliare via fette di cuticola protettiva del cilindretto.
b) Se il cilindretto è fatto di proteine (e perfino se è fatto di cellule, se si usa un acido capace di sciogliere le cellule) allora si può immergere la faccia libera del cilindretto in un flusso continuo di solvente, che la discioglie lentamente. In questo modo si possono registrare le immagini memorizzate. Per la lettura, si può esporre la sola faccia del cilindretto (e non tutto il solvente, per evitare aloni luminosi) ad una luce UV. Le proteine (o le cellule fotosensibili che hanno accumulato altre proteine fotosensibili, o pigmenti, ecc) sono fosforescenti, per cui un CCD posto davanti alla faccia può leggere continuamente le immagini registrate, e produrre il blocco 3D di dati che poi può essere analizzato. Dato che il cilindretto probabilmente non si consuma in modo uniforme, serve una buona ricostruzione dei singoli fotogrammi (o comunque dei periodi nei quali le immagini sono state registrate).
A parte la fluorescenza UV, esistono anche altri metodi di lettura, ad esempio basati su metodi chimici, o con una scansione laser della superficie del cilindretto, che la fa sublimare localmente, e con un sensore chimico/fluorescenza si può leggere cosa il laser ha "letto" in quel punto. In questo modo usando il laser si può fare a meno dell'affettatore meccanico e del flusso di solvente.

Durata della memoria: i cilindretti di piante morte da anni possono essere comunque raccolti e letti, forse anche a distanza di decenni e più. Se serve si possono progettare varianti di questa neopianta che hanno cilindretti (fatti di cellule) che contengono proteine e sostanze capaci di rimanere stabili per secoli. Nel caso dei modelli (vedi sotto) capaci di riprendere istanti più o meno discreti di tempo, una singola immagine può avere lo spessore di poche molecole proteiche (o di una-due piccole cellule) per cui ogni fotogramma può essere spesso solo 1/100 mm (o anche meno). Ipotizzando strati di 1/100mm, e 2 fotografie l'ora, si ha una crescita di circa 1/2mm al giorno, per cui un cilindretto di 20cm corrisponde a 40 giorni di riprese. Se il cilindretto ha un diametro di soli 6 mm (ma si possono avere varianti di questa neopianta con cilindretti anche di 2 cm di diametro, capace di una risoluzione probabilmente eccessiva, specialmente viste le ottiche a disposizione, e il fatto che una deposizione di molecole fotosensibili può avere una risoluzione anche maggiore di una pellicola fotografica normale), allora forse può crescere anche di 30 cm (piegato verso il basso) prima che la telecamera non riesca più a sostenerlo. Questo corrisponde a 20 circa di registrazione continua. Per le varianti della neopianta che riprendono una sola immagina al giorno, la capacità teorica della memoria sarebbe probabilmente molto superiore alla vita della neopianta stessa. Per le telecamere che registrano in modo continuo la luce in ingresso, la situazione è simile.

Registrazione dati temporali: sarebbe utile sapere in che minuto, ora, giorno, mese e anno è stata ripresa ogni singola immagine, cioè marcarle temporalmente. Non è facile da fare in modo semplice. Si può mettere un semplice orologio circadiano (sincronizzato con la luce solare) dentro la pianta, che registra in qualche modo il suo valore dentro le immagini stesse. Questo è facile, e sufficientemente preciso. (una approssimazione di 20-35 minuti è accettabile). E per il giorno/mese/anno? Si potrebbe aggiungere un "sensore" che registra le forze mareali lunari (che poi possono essere analizzate con archivi storici e la data può essere ricostruita). Anche la registrazione del ciclo lunare potrebbe essere utile, e sufficiente a far ricostruire il giorno del mese. È possibile ricostruire l'anno di un dato anello, anche di millenni fa, confrontando la sequenza di anelli (che sono più sottili in annate di siccità o fredde, ecc) con sequenze storiche (locali di dove è vissuto l'albero!). Per cui metodi storici simili possono essere usati per ricostruire il giorno/anno nel quale è stata ripresa una immagine. (Nel modello 3 molto sofisticato si potrebbe pensare di aggiungere un vero bio-orologio che registri ora, giorno e mese più o meno esatti sui fotogrammi, ma è probabilmente fin troppo complesso da fare, e può non valere la pena di farlo).

2) Modello sofisticato

- Possiede tre gambi in disposizione a triangolo, uniti insieme da filamenti, per avere maggiore stabilità.
- Al posto del foro stenopeico c'è una piccola lente fissa. Infatti la qualità delle immagini prodotte dal foro stenopeico è abbastanza bassa, e una lentina non dovrebbe essere molto complessa da progettare e far sviluppare.
- Davanti alla lente c'è un otturatore (composto da una parte rigida o da uno sfintere), che apre la telecamera solo per circa 30 secondi, e poi la tiene chiusa per 30 minuti, poi la apre 30 secondi, ecc. Durante il periodo di buio non vengono accumulati strati di immagini. In questo modo la telecamera registra istanti discreti di tempo. Razze leggermente diverse della stessa neopianta possono avere temporizzazioni diverse, ad esempio facendo aprire l'otturatore solo una volta al giorno.
- Le immagini registrate sono a colori (con cellule o proteine sensibili a frequenze diverse).
- Volendo potrebbe produrre anche semi, oltre che telecamere. Ma questo comporta qualche lieve rischio ecologico, cioè che queste telecamere si diffondano troppo.
- Variante capace di registrare più informazioni visive: quando il cilindretto è troppo lungo, si stacca, e cade in un "contenitore" sottostante. Poi la telecamera fa crescere un nuovo cilindretto. Questo design è forse inutilmente complesso.
- La sensibilità alla luce del fotopigmento (o cellule fotopigmentanti) dovrebbe essere bassa, ma durante la giornata l'intensità della luce cambia molto, per cui per avere un'esposizione più corretta, servono dei mezzi retroattivi che cambiano la sensibilità al variare della luce ambientale. Ad esempio se c'è troppa luce le cellule potrebbero diventare meno sensibili, o potrebbe venire prodotto un fotopigmento di tipo meno sensibile.
- Un problema di queste piantacamere è che non è facile far funzionare un'esposizione continua. Ci sono momenti nei quali la superficie è "non pronta" per ricevere l'immagine, cioè lo strato sensibile è mal steso, oppure è impressionato completamente e deve essere sostituito, con altre cellule/proteine, eccetera. Per cui far funzionare una piantacamera in pratica può non essere semplice.

3) Modello molto sofisticato

- Trasmette in wireless (composta da: bioantenna lungo il gambo, bioradio, circuiti simil-neurali di codifica, organo elettrogeneratore vegetale).
- Sistema immunitario
- Modello 3b: al posto della trasmittente wireless si potrebbe pensare ad una biofibra ottica o un cavo elettrico che porta le informazioni video, ma non credo sia facile da progettare, e non so quanto potrebbe essere utile.
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Grazie a Paolo Usai per alcuni suggerimenti.

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