America's Cup: la Meccatronica, questa (s)conosciuta

Tutti gli appassionati dell’America’s Cup del terzo millennio sanno che i monoscafi foiling AC75 sono “figli” della Meccatronica, ma in pochissimi conoscono il reale significato di questa parola, né la definizione di “scienza che nasce dall’integrazione tra meccanica, idraulica ed elettronica al fine di progettare, sviluppare e controllare sistemi e processi a elevato grado di automazione e integrazione”, aiuta a chiarirsi le idee. In effetti, il dipartimento di Meccatronica è abbastanza complesso perché ingloba, sotto il suo cappello, diverse importanti aree di sviluppo, tutte fortemente interconnesse. La persona più adatta a spiegare come funziona questo reparto all’interno di Luna Rossa Prada Pirelli è Gilberto Nobili, che ne è il responsabile. Ingegnere informatico e grinder a bordo di Luna Rossa nelle edizioni del 2003, 2007 e 2021, “Gillo” è anche Operations Manager del team, occupandosi della programmazione nel breve, medio e lungo termine. 

«Il nome stesso del dipartimento», esordisce Nobili, «lascia trasparire collaborazione e interazione costanti e continue di sistemi informatici con attuazioni meccaniche e idrauliche ad alta pressione. Per capire meglio di che si tratta facciamo un passo indietro e prendiamo come esempio la Coppa di Valencia 2007: tutti ricorderanno i tailer che regolavano le vele gestendo la tensione delle scotte sui winch azionati dal movimento meccanico dei pedestal dei grinder. Oggi, tra l’azione del membro dell’equipaggio e l’attuazione (il movimento della vela o di ogni altra superficie mobile a bordo, come derive e arm), abbiamo alcuni layer, dei “livelli” di mezzo che interagiscono tra loro, composti da dispositivi di controllo (robusti computer industriali progettati appositamente per i controlli automatici) e da un circuito idraulico che può arrivare a 600bar (quindi ben oltre gli standard industriali, solitamente a 350bar). Alla fine di questo processo arriva la più tradizionale attuazione meccanica che, per le alte velocità in gioco, ha spesso a che fare con miniaturizzazioni molto spinte dei sistemi e con materiali dalle particolari caratteristiche meccaniche. Cuore di questi layer sono i software che gestiscono e coordinano gli azionamenti, perché l'affidabilità e la precisione dei controlli su barche come gli AC75 sono cruciali».

Due persone con cui Nobili si interfaccia quotidianamente sono Clelia Sessa, che si occupa in particolare della gestione degli arm (Foil Cant System) e l’ingegnere meccatronico Michele Crotti, alla guida dello sviluppo di tutto il programma ECC (Electronic Control Circuit) che, come spiega lui stesso, «è il sistema di bordo responsabile della forma e della movimentazione delle vele, nonché dei flap e del timone (attraverso il quale si regolano anche altezza e angolo di pitch della barca). Mi occupo del software del sistema e della configurazione, manutenzione e diagnostica della parte elettronica che, come si può immaginare, su queste barche è tanta e lavora in un ambiente ostile come l’acqua di mare; facciamo, infatti, controlli continui per assicurarci che funzioni sempre e bene. Interagisco principalmente con i dipartimenti di elettronica ed idraulica e controllo che non ci siano anomalie da segnalare; per noi, infatti, affidabilità significa sia risultato in regata, sia sicurezza di bordo. Sintetizzando, possiamo dire che i velisti attuano i controlli di bordo su dispositivi realizzati in house che vengono loggati e che inviano poi i dati in diretta a noi che siamo sulla barca appoggio. In regata, da regolamento, alcuni dati sono visibili “live” anche ai velisti; altri, invece (velocità della barca, vento, direzione), passano attraverso una media box che li ritarda di circa 2 secondi. Sembra semplice, ma in realtà si tratta di sistemi molto complessi: basti pensare che a bordo ci sono più di 25 cilindri, circa 80 valvole idrauliche e oltre 200 sensori. Inoltre, tutti i dispositivi usati dai velisti sono prodotti internamente; l’equipaggio sceglie la forma e il dispositivo che ritiene più adatto per le sue mansioni e questi vengono quindi progettati e stampati in 3D da Stefano Baruffaldi, che partecipa anche all’assemblaggio dell’elettronica insieme al reparto elettronico dello shore team».

Considerando che parliamo di barche foiling, la parte più delicata del sistema di controllo è quella relativa alla gestione del volo, una delle poche che, per regolamento, si possono alimentare a batteria. «Contrariamente a quanto molti pensano», prosegue Nobili, «oggi come nel 1851 è sempre l’uomo a comandare la macchina, a controllare l’attuazione, a decidere quando e dove vuole andare. In regata non è ammesso, infatti, l’autopilota e questo rende cruciale avere attuazioni e sistemi precisi ed efficaci. Esattamente come su un aereo, l’AC75 ha bisogno di un controllo affidabile e accurato delle appendici per permettere all'equipaggio di far volare la barca in ogni condizione con la limitata energia disponibile».

Qui entra in gioco Andrea Zugna, responsabile del sistema di volo e della gestione attuazioni: «Gli AC75, il prototipo e gli AC40», spiega l’ingegnere meccanico, «hanno in comune il fatto di combinare una barca a vela con un aeroplano in volo radente e, da questa edizione, anche su terreno dissestato (le onde in mare aperto di Barcellona). Il regolamento separa i sistemi di controllo aero rig (albero e vele) da quelli flight (appendici idrodinamiche che stanno sott’acqua). Tutti i controlli a bordo sono idraulici, ma mentre quelli delle appendici sono alimentati da batteria, quelli aero ricevono energia dai 4 cyclor (o ciclisti). In comune questi sistemi devono avere l’affidabilità e l’adattabilità, nonché la capacità – come per la musica – di passare da un “tono” dolce a uno molto ritmato e di farlo prontamente e con la massima precisione, per permettere alla barca di reagire in velocità a un cambio di assetto. Il mio lavoro è progettare – insieme con designer e meccatronici – gli hardware idraulici ed elettronici, cercando di trasformare le esigenze dei velisti in uno strumento che, premendo un tasto, assolva una funzione semplice».

La storia insegna che per vincere la Coppa America ci vuole una barca veloce e, per ottenerla, «bisogna tener conto non solo della parte di controllo, ma anche delle prestazioni e di tutte le informazioni importanti per lo sviluppo», prosegue Nobili. Di questo si occupano le persone dedicate alle performance e al sistema ILS (Information Logging System), che analizzando i dati trasmessi dai sensori di bordo, misurano e valutano tutte le informazioni che possono risultare importanti per la navigazione, lo sviluppo e la manutenzione. Queste informazioni - che il sailing team riceve solo in minima parte (e ritardate di qualche secondo, se eventualmente  usate per il controllo diretto), tramite un sistema detto CIS (Crew Information System) -, sono disponibili nella loro totalità e in tempo reale sia alla barca di supporto sia, a terra, ai progettisti.

In questo dipartimento lavorano Chad Turner (valutazione delle prestazioni e gestione dei test in mare), Marco Benini (AI – Artificial Intelligence), Dan Jowett e Roberto Berrozpe (ILS), Andrea Bazzini (Sail Vision e Racing Software) e Denis Corti (telemetria, distribuzione e visualizzazione dei dati).

«Anche la simulazione gioca un ruolo fondamentale», riprende Nobili: «Quella con CFD (Computational Fluid Dynamics) ed FSI (Fluid Structure Interaction) non è certo una novità (pur avendo fatto passi da gigante), ma oggi, rispetto al passato, sono sempre più importanti la simulazione dinamica e la validazione dei tools con i dati raccolti in acqua; adesso, infatti, possiamo contare su strumenti di simulazione real-time con cui i velisti possono gestire, come fossero in mare, la conduzione della barca in un ambiente controllato. Nel gruppo di simulazione abbiamo Davy Moyon, Jean-Claude Monnin e Marco Gomiero che, oltre allo sviluppo del simulatore, si interfacciano con altri dipartimenti per adattare la simulazione stessa alle misure della barca in mare».

Ingegnere meccanico e responsabile dello sviluppo del simulatore, Marco Gomiero spiega, infatti, che il suo lavoro riguarda «lo sviluppo e l’utilizzo di modelli numerici che servono per replicare le condizioni che la barca affronta in navigazione in maniera dinamica. Rispetto al passato, il simulatore adesso entra in gioco già nella fase di progetto di una barca e oltre a rendere obsoleti i test nella vasca navale (con un grande risparmio in termini di tempi e di costi), permette di replicare e di far testare ai velisti qualsiasi elemento (foil, vela, timone), in un ambiente virtuale e controllato; il feedback arriverà poi sul tavolo dei progettisti per eventuali migliorie o modifiche. Una parte importante del mio lavoro è l’analisi dei dati provenienti dalla barca, perché questi andranno poi confrontati con quelli del simulatore per assicurarci che ci sia sempre un certo grado di coerenza. Il simulatore, inoltre, è in grado di replicare in maniera realistica gli agenti atmosferici che la barca affronterà in regata, quindi onde, vento, raffiche ecc».

Andrea Bazzini è invece responsabile della Sail Vision e del Racing Software: «La Sail Vision», spiega l’ingegnere informatico, «è un sistema che ci permette di misurare la forma delle vele mentre siamo in navigazione in assetto volante; si basa su sistemi ottici (telecamere) che mi occupo di sviluppare insieme al Racing Software (il programma che permette ai timonieri - e a chi fa le veci del navigatore - di conoscere la propria posizione sul campo di regata e di avere i tempi per le partenze e per l’avvicinamento ai boundary o alle boe). Per quanto riguarda la Sail Vision, il mio lavoro non è cambiato molto rispetto alla precedente edizione: anche se non potremo più usarla in tempo reale in regata, ma solo in allenamento, la parte di sviluppo e post processing sarà uguale. Il Racing Software, invece, per questa edizione sarà fornito dall’organizzazione e sarà uguale per tutti. Ovviamente sono in stretto contatto con i velisti, per quanto riguarda il sistema Racing Software e con i timonieri, i tattici, il navigatore e il team progettazione vele per la Sail Vision. L’obiettivo è migliorare costantemente questi strumenti per ottimizzare le performance complessive della barca».