TECNOLOGIE PER L’AGEING IN PLACE: DOMOTICA ASSISTENZIALE E DIGITAL TWIN

Uno studio sulle tecnologie relative all’ambiente costruito che permettono alle persone anziane di rimanere nelle proprie abitazioni e di mantenere un certo livello di autonomia il più a lungo possibile

di SOFIA AGOSTINELLI, FEDERICA GIUSTINI E ELISA PENNACCHIA

L’invecchiamento della popolazione è un argomento di interesse internazionale. A livello globale, la quota della popolazione di età pari o superiore a 65 anni è aumentata dal 6% nel 1990 al 9% nel 2019. Si prevede che tale percentuale salirà ulteriormente entro il 2050 (c.a. 16%), quando una persona su sei nel mondo avrà più di 65 anni [1]. Secondo l’Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE) [2] le città, in particolare, ospitano il 43,2% della popolazione anziana. I contesti urbani sono pertanto il luogo ideale per affrontare in modo inte-

grato e interdisciplinare il tema dell’invecchiamento della popolazione. Per migliorare la qualità urbana in modo da soddisfare le esigenze dei cittadini anziani l’Organizzazione Mondiale della Sanità nel 2017 ha lanciato la sua Strategia per l’invecchiamento e la salute [3], che si propone di attuare diverse azioni finalizzate a: ■ promuovere un invecchiamento sano; ■ allineare i sistemi sanitari alle esigenze della popolazione più anziana; ■ sviluppare sistemi per l’assistenza a lungo termine; ■ migliorare la misurazione, il monitoraggio e la comprensione di un sano invecchiamento; ■ creare ambienti adatti alle esigenze dell’età.

Gli ambienti sono i contesti in cui le persone conducono la loro vita. Per ambienti favorevoli all’età si indicano gli spazi che favoriscono la promozione dell’invecchiamento principalmente in due modi: sostenendo la costruzione e il mantenimento delle capacità intrinseche lungo tutto l’arco della vita e consentendo una maggiore capacità funzionale e autonomia. Gli interventi volti a creare ambienti adatti all’età possono essere mirati a diversi contesti (dalla scala edilizia alla scala urbana e sociale) o a specifici fattori (per esempio i trasporti, gli alloggi, la protezione sociale, le strade e i parchi, le strutture sociali, la salute e l’assistenza a lungo termine, etc.), e possono essere promossi a diversi livelli di governance (nazionale, regionale o locale). Risulta evidente dalle strategie proposte dall’OMS l’importanza di creare ambienti a misura di anziano, in grado di migliorare la qualità della vita e prolungare il più possibile l’ageing in place, l’invecchiamento sano e l’autonomia. In questo contesto la tecnologia offre un supporto prezioso per soddisfare le esigenze degli anziani della società contemporanea e futura.

LA TECNOLOGIA A SUPPORTO DELL’INVECCHIAMENTO DELLA POPOLAZIONE

Attraverso la tecnologia, i confini tra la vita indipendente e la vita assistita diventano più fluidi e il passaggio più tollerabile. Il concetto di tecnologia è piuttosto ampio e multidimensionale. Descrive l’insieme delle tecniche, delle strategie operative e dei processi impiegati per la risoluzione di problemi e il raggiungimento di obiettivi, come – per esempio – la creazione di una smart age-friendly city [4]. La tecnologia per l’ageing in place è finalizzata a supportare l’indipendenza degli anziani, monitorando le condizioni di salute, ritardando o prevenendo il deterioramento funzionale o cognitivo, limitando l’impatto di malattie croniche [5]. Nell’ultimo decennio, sono state condotte numerose ricerche nell’ambito dello sviluppo di queste tecnologie in cui rientrano, ad esempio, le reti basate su sensori per il monitoraggio delle attività, il rilevamento delle cadute e varie applicazioni capaci di raccogliere i dati sanitari (eHealth). L’obiettivo è quello di integrare il design residenziale, le apparecchiature mediche e di controllo domestico e i servizi di assistenza in un sistema di monitoraggio e gestione dinamico ed efficiente. Si può parlare pertanto di un’evoluzione dell’ageing in place in ageing in place 2.0 (AiP2.0) che prevede l’introduzione di tecnologie capaci di creare connessioni tra l’abitazione, il suo inquilino e il mondo esterno, fornendo un supporto e raccogliendo informazioni su ciò che accade [6]. Le tecnologie più all’avanguardia finalizzate a migliorare la qualità della vita, migliorare la salute psico-fisica e promuovere l’autonomia dell’anziano presso la propria abitazione sono l’Internet of Things (IoT), i robot Ambient/Active Assisted Living (AAL) e sistemi di artificial intelligence (AI) [7]. L’Internet of Things (IoT) permette di estendere internet agli oggetti reali, mettendo in comunicazione dispositivi intelligenti e sensibili in un’infrastruttura di rete globale, creando un AAL [8]. L’obiettivo principale di quest’ultimo è quello di produrre benefici per l’individuo, per l’economia e per la società aumentando l’autonomia, il benessere e la sicurezza degli over 65, ottimizzando l’efficacia delle risorse limitate e gli standard di vita [9]. La tecnologia IoT consente un monitoraggio continuativo e immersivo dell’ambiente in cui è inserita attraverso l’acquisizione di dati, trasferiti successivamente in un ambiente di raccolta, per l’elaborazione di risposte personalizzate in base alle esigenze dell’utenza, passando da un mero processo automatizzato a uno intelligente (artificial intelligence). Questa tecnologia invisibile e pervasiva (pervasive computing) supporta le persone nella loro routine quotidiana attraverso tutti gli oggetti che impiegano. L’AI si riferisce alla simulazione dell’intelligenza umana in macchine programmate per pensare come gli esseri umani e imitare

le loro azioni. Poiché l’intelligenza artificiale è integrata con l’edificio attraverso sistemi IoT, è in grado di acquisire un notevole quantitativo di dati relativi alle operazioni quotidiane che si svolgono nell’edificio per abilitare nuovi livelli di automazione, che consentono agli edifici di “pensare”, imparare e fornire risposte sotto forma di servizi e assistenza. L’AI ha pertanto un notevole potenziale per migliorare la qualità della vita degli occupanti e aumentarne l’autonomia, oltre a offrire una maggiore efficienza operativa del consumo di risorse e una manutenzione predittiva che garantisce un prolungamento della vita utile del manufatto e delle condizioni di sicurezza di chi vi abita. Con lo sviluppo di sensori abilitati alla rete e di algoritmi di intelligenza artificiale, vengono proposti vari sistemi sempre più incentrati sull’uomo per fornire servizi di qualità superiore, come la sanità intelligente, ad esempio, che rende l’assistenza domiciliare più efficiente in termini di costi e tempistiche delle cure sanitarie. Il calcolo cognitivo (cognitive computing) e il cloud computing costituiscono le tecnologie indispensabili per lo sviluppo di questi sistemi intelligenti. L’architettura di sistema del calcolo cognitivo consiste in tre tecnologie: il networking (ad esempio, Internet of Things), l’analitica (ad esempio, il reinforcement learning, ovvero l’apprendimento di rinforzo e il deep learning, l’apprendimento profondo), e il cloud computing [10]. In particolare, il calcolo cognitivo incentrato sull’uomo comprende la tecnologia, un ambiente virtuale e la persona (Figura 1). Rientrano nella definizione di tecnologia, ad esempio, le strutture hardware come reti di computer, dispositivi per l’architettura di comunicazione di base, sistemi IoT. Per ambiente virtuale si intende lo spazio interattivo, multimediale, fluido che mette in sinergia e in interfaccia tutti i dispositivi di produzione, registrazione e comunicazione dei dati (Big Data). Questo nuovo paradigma dell’informatica cognitiva incentrata sull’uomo permette un’interazione diretta con le persone, consentendo un’esplorazione delle esigenze e degli stati d’animo dell’essere umano per una comprensione più profonda finalizzata a fornire un servizio personalizzato per l’utente.

FIGURA 1. Calcolo cognitivo incentrato sull’uomo

La domotica assistenziale

La domotica assistenziale svolge un ruolo fondamentale per supportare quotidianamente l’assistenza e l’autonomia delle persone e per superare o almeno limitare le difficoltà riscontrabili. L’introduzione delle tecnologie in ambito IoT nella domotica consente una molteplice opportunità di servizi, svolgendo funzioni che possono essere parzialmente autonome (in base a risposte a parametri ambientali di natura fissa e/o prestabilita), programmate dall’utente (secondo specifiche esigenze) o completamente autonome, grazie all’impiego di sistemi AI, al deep learning e al machine learning. Si riporta in Tabella 1 una sintesi delle macroaree di impiego della domotica assistenziale con le relative soluzioni proposte per ogni esigenza.

Il digital twin per l’ageing in place

Il concetto di prodotto virtuale equivalente a un prodotto fisico/ reale, definito digital twin è stato introdotto nel 2003 dal Dr. Michael Grieves durante un corso dell’Università del Michigan sul tema Product Lifecycle Management (PLM). Al momento dell’introduzione di questo concetto, le rappresentazioni digitali che venivano realizzate per prodotti fisici reali erano relativamente nuove e immature. Nel decennio successivo lo sviluppo della tecnologia informatica ha prodotto un supporto sia alla creazione e alla manutenzione del prodotto virtuale, sia alla progettazione e alla fabbricazione del prodotto fisico/reale [11]. Il digital twin costituisce una delle implicazioni più promettenti dell’industria 4.0 e dell’Internet of Things. Le applicazioni sono molteplici e coinvolgono diversi settori a partire da quello aerospaziale3, dove un Twin model è stato testato per la prima volta, ma anche nel settore industriale, edilizio, urbano e medico. Le applicazioni in questi ultimi tre ambiti possono contribuire in modo significativo alla creazione di contesti age-friendly. Un gemello digitale si compone di tre elementi fondamentali: gli oggetti fisici presenti nel mondo reale, gli oggetti virtuali e i dati che li collegano (forniti principalmente dall’IoT). L’integrazione della rete di sensori wireless (WSN) e l’analisi dei dati sono fondamentali per la creazione di un gemello digitale [12]. In ambito edilizio la copia digitale di un edificio può basarsi su un modello 3D prodotto per esempio in ambiente BIM. La definizione più diffusa di gemello digitale di un edificio è la seguente: “l’interazione tra l’ambiente interno dell’edificio reale e un modello di rappresentazione virtuale digitale ma realistico dell’ambiente dell’edificio, che fornisce l’opportunità di monitorare e di acquisire dati in tempo reale” [13].

Domotica assistenziale

AUTONOMIA

SICUREZZA

RISPARMIO ENERGETICO

TABELLA 1. La domotica assistenziale

Esigenze Soluzioni

Superare le difficoltà motorie Apertura porte e finestre Comandare i meccanismi degli armadi per accedere anche ai ripiani superiori grazie a un braccio elettrico che si abbassa per consentire di scegliere tra tutti i vestiti riposti. Sistema di pulizia automatico

Superare le difficoltà uditive

Segnali luminosi Superare le difficoltà visive Segnali acustici e comandi vocali Allagamenti Sensore di rilevamento perdite acqua

Fughe di gas Furti

Rilevatore di gas Rilevamento intrusioni

Incendi Rilevatore di fumo

Controllo dell’accesso principale

Rispondere alle chiamate videocitofoniche per vedere chi suona alla porta, rispondere alla chiamata e aprire Rilevamento cadute Presenza sul letto/seduta Sensore di movimento

Salute

Temperatura

Illuminazione

Ventilazione Controllo qualità dell’aria Sensore apertura frigo e cassetto delle posate Tele-monitoraggio dello stato di salute Sistema di termoregolazione Accensione automatica delle luci al passaggio e intensità luminosa regolabile, anche tramite comando vocale Sistema automatico di chiusura e apertura finestre o attivazione dell’areazione meccanica Ubicazione

Su ogni infisso

Camere da letto

In ogni stanza In ogni stanza In ogni stanza In ogni stanza Cucina Ogni finestra, porta di ingresso In ogni stanza

Tramite tablet o cellulare

In ogni stanza Camera da letto e soggiorno In ogni stanza In ogni stanza In cucina

Indossabile In ogni stanza

In ogni stanza

In ogni stanza

Il digital twin di un edificio può usufruire dei dati provenienti dalle varie reti di sensori per creare una vista in tempo reale dell’asset che ne permette un’analisi altamente accurata [14]. I Digital twin models consentono pertanto di svolgere studi e analisi costi-benefici di soluzioni alternative e simulazioni varie.

IL CASO STUDIO

La possibilità di usufruire di uno spazio abitativo da adibire a laboratorio abitato è finalizzata alla sperimentazione di una serie di tecnologie domotiche utili ad adattare gli ambienti edilizi ai bisogni di anziani autosufficienti e non. Tale ambiente è stato preventivamente individuato dai tecnici in una porzione della casa cantoniera sita a Ostia Antica in prossimità della fermata ferroviaria di Roma-Lido, caratterizzato da un taglio medio-piccolo rappresentativo delle più diffuse tipologie abitative nazionali (Figura 2). È fondamentale creare un ambiente abitativo per una longevità attiva e indipendente dell’anziano, definito smart home, caratterizzato dai seguenti requisiti: ■ adattabilità: la capacità di regolare (o essere regolata) per soddisfare le esigenze degli utenti; ■ automazione, la capacità di integrare dispositivi automatici o di eseguire funzioni automatiche; ■ efficienza: la capacità di eseguire funzioni permettendo un risparmio in termini di tempo e costi; ■ interattività: la capacità di interagire o consentire l’interazione tra gli utenti; ■ multifunzionalità: la capacità di eseguire vari compiti o di generare vari risultati [15].

Si vuole pertanto superare la tradizionale Smart Home 1.0, finalizzata principalmente al risparmio energetico, attraverso il collegamento in rete da macchina a macchina (M2M) per il controllo anche da remoto degli apparecchi elettronici, con una Smart Home 2.0 [16]. Quest’ultima è una nuova generazione di sistemi per la casa intelligente che integra la Smart Home 1.0 con l’intelligenza cognitiva e il machine learning incentrati sulla persona e sulla qualità della sua vita. L’attività di ricerca ha portato allo sviluppo inziale di un modello informativo digitale dell’abitazione in ambiente BIM (Building Information Modeling), a cui sono state associate le caratteristiche morfologiche dimensionali e tecnico-prestazionali dell’involucro edilizio. Sono stati individuati una serie di sistemi IoT riconducibili alle macroaree di impiego della domotica assistenziale, facilmente reperibili sul mercato, che saranno installati all’interno dell’abitazione (Figura 3). Essi permettono di monitorare e acquisire costantemente vari parametri per l’analisi del contesto ambientale e dei comportamenti a lungo termine, per segnalare variazione FIGURA 2. Pianta della porzione della casa cantoniera oggetto di studio

delle abitudini, e per compiere azioni sulla base di istruzioni ricevute (come, per esempio, l’apertura delle finestre o l’attivazione del purificatore dell’aria). La sensoristica si interfaccia con il network, cioè la struttura di connessione, finalizzata al trasferimento dei dati nel cloud per la loro raccolta, conservazione e analisi. Gli algoritmi permettono lo svolgimento di processi computazionali e decisionali per raggiungere gli obiettivi per cui

FIGURA 3. Sensoristica scelta per il caso studio è stato sviluppato il sistema. Alla fine del processo di analisi si effettua una scelta, inviata agli attuatori per essere eseguita, o i risultati possono essere mostrati nell’interfaccia utente per consentire all’utilizzatore finale o a un suo familiare, di prendere decisioni ponderate. Le informazioni raccolte dai sensori permetteranno di aggiornare continuamente il digital twin dell’abitazione, implementando costantemente i possibili scenari per fornire un supporto rilevante per le più svariate operazioni, orientate all’automazione e alla gestione smart dell’ambiente costruito, anche attraverso l’integrazione di sistemi di Intelligenza Artificiale che possono contribuire al prolungamento dell’autonomia dell’anziano (Figura 4). Il monitoraggio costante delle abitudini della persona che vivrà costantemente l’abitazione, permetterà lo sviluppo di un algoritmo sempre più sofisticato, capace di riconoscere e comprendere i suoi stati d’animo, per contrastare soprattutto la depressione. La sfida principale consiste nell’identificare le lacune che la tecnologia può colmare, e poi iterare e integrare le soluzioni digitali gemelle per produrre strumenti completi, utili e personalizzati.

CONCLUSIONI

L’emergere di una nuova domanda di qualità abitativa e urbana richiede un nuovo approccio culturale e politico al tema della domiciliarità. Il supporto delle tecnologie basate sull’interazione uomo-macchina (HCI, Human - Computer Interaction), sempre più

FIGURA 4. Componenti essenziali per creare il digital twin dell’edificio

sofisticate e al contempo accessibili sia da un punto di vista economico sia per semplicità d’uso, può rendere l’ambiente costruito realmente più age-friendly. Con il tempo, inoltre, un gemello digitale non solo porterà a un migliore processo decisionale, ma prenderà decisioni migliori. Tale integrazione richiede un indispensabile ausilio delle istituzioni per colmare alacremente il divario digitale ancora presente in termini di infrastruttura e competenze. Inoltre, l’accessibilità, le preoccupazioni di carattere etico e di altro tipo dovrebbero essere affrontate in modo da ottimizzare i potenziali benefici che le tecnologie possono apportare all’ambiente costruito. Fondamentalmente, la tecnologia non è né negativa né positiva: dipende solamente da quanto intelligentemente viene impiegata per servire l’umanità.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI

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Il presente articolo è tratto dalla rivista “Ponte, vol. 2/2020” (p. 27-37) edita dalla DEI, Tipografia del Genio Civile.