Quando pensiamo all'automobile del futuro, la nostra mente corre subito all’immagine di una vettura silenziosa, dove la batteria ha sostituito il serbatoio della benzina.
La transizione verso l'elettrico è senza dubbio una delle trasformazioni più visibili del nostro tempo, ma non deve sfuggire la rivoluzione molto più ampia che comporta. Un cambiamento che, lungi dal riguardare esclusivamente l’alimentazione del motore, investe il veicolo nel suo insieme e anche il modo con cui lo si guida. Perfino in componenti del tutto inaspettate – per esempio nelle ruote o nelle sospensioni – sono in corso profonde trasformazioni, che riguardano come reinventare l’auto dalle fondamenta, per renderla più sostenibile, connessa, sicura e comoda da usare.

Che abbattere le emissioni delle auto sia un compito essenziale e urgente è peraltro fuori discussione: basti pensare che secondo il rapporto ISPRA sulle emissioni nazionali di gas serra in Italia nel 2023, il settore dei trasporti è direttamente responsabile di oltre il 28% delle emissioni di gas a effetto serra. In questo, il trasporto stradale di passeggeri e merci fa la parte del leone: oltre il 83% delle emissioni nazionali di tutto il comparto.

Per accelerare il processo di decarbonizzazione, è cruciale dunque occuparsi del settore della mobilità, a partire dai veicoli.

Ma ripensare e riprogettare l’automotive è essenziale anche per rispondere alla sfida della concorrenza a livello mondiale, e salvaguardare attraverso l’innovazione il settore automobilistico. Per rimanere rilevanti non basta più costruire auto migliori: è necessario ripensare l'intero paradigma di progettazione e produzione. Per fronteggiare queste sfide tecnologiche imposte dalle politiche di decarbonizzazione e dal contesto fortemente competitivo, il Politecnico di Torino si avvale dei Centri interdipartimentali nei quali si affrontano, con infrastrutture di ricerca all’avanguardia, molteplici tematiche della ricerca multidisciplinare, tra cui quelle sulla mobilità terrestre.

Il cuore di questo settore è il Centro interdipartimentale CARS (Center for Automotive Research and Sustainable mobility) del Politecnico. In una conversazione con il suo coordinatore, Nicola Amati, docente del Dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale (DIMEAS), emerge un quadro per molti versi sorprendente: le sfide più complesse non sono solo ingegneristiche, ma profondamente umane, e le soluzioni che si stanno sviluppando potrebbero cambiare per sempre la nostra esperienza di guida, oltre a definire chi vincerà la sfida tecnologica del domani.

Come spiega Amati, la ricerca al CARS si muove principalmente su tre filoni portanti: “In primo luogo, ci occupiamo di sviluppare tecnologie per minimizzare l’impatto ambientale dei veicoli stradali. Si tratta di tutte le tecnologie direttamente utili a ridurre le emissioni: soluzioni per la trazione elettrificata; per l'utilizzo di combustibili non fossili; per lo sviluppo di sistemi di accumulo dell’energia basati su batterie o celle a combustibile, soprattutto studiando l’integrazione ottimale di queste tecnologie all'interno del sistema veicolo. Un secondo pilastro è lo sviluppo di tecnologie per il miglioramento del comfort e della sicurezza a bordo, per migliorare le funzioni della guida autonoma e assistita, del controllo del veicolo, e del comfort del guidatore che usa un veicolo che ne è dotato. In terzo luogo, ci occupiamo di sistemi di ottimizzazione del traffico, ovvero studio e creazione di sistemi di controllo del veicolo volti non solo alla singola automobile, ma all’insieme dei mezzi mobili, con la realizzazione di sistemi di gestione organizzata di un insieme di veicoli all'interno di un contesto, che può essere intraurbano o extraurbano”.

Si tratta, ovviamente, di tre settori di ricerca strettamente intersecati.

Come spiega ancora Amati: “Diverse attività di ricerca riguardano insieme diversi aspetti: per esempio all’interno di un progetto finanziato dalla Regione Piemonte abbiamo studiato soluzioni di adaptive cruise control, per cui una macchina segue autonomamente la macchina che la precede, governate da sistemi che riguardano non solo la sicurezza, ma anche il consumo energetico; si interconnettono quindi gli aspetti legati alla sicurezza e all’impatto ambientale. Lo stesso si può dire per una serie di progetti svolti in collaborazione con Marelli sulle sospensioni, che mirano a sfruttare l’energia vibrazionale che arriva dalle irregolarità stradali: in questo modo si migliora contemporaneamente il comfort all’interno del veicolo, il cosiddetto “moto di cassa” ovvero il movimento dell’abitacolo del veicolo, ma ottimizzando lo sfruttamento dell’energia. Sono esempi del metodo del centro CARS, che prevede una stretta collaborazione con le aziende, in questo caso Marelli, che è ora in procinto di avviare la produzione di questi sistemi”.

Molti appassionati temono che il passaggio all'elettrico cancelli per sempre le sensazioni, i suoni e il sapore della guida di un'auto a combustione interna. Ma la tecnologia sta trovando il modo di preservare e persino replicare, questa esperienza. Il professor Amati racconta un aneddoto illuminante, vissuto durante un test su una pista in Ungheria: “Salito a bordo di quella che credeva essere un'auto sportiva con motore termico, ha guidato sentendo il rombo del motore, percependo le cambiate e godendo delle dinamiche di guida tipiche di un'auto ad alte prestazioni”. La sorpresa è arrivata solo alla fine della prova, quando gli è stato svelato il segreto: il veicolo era al 100% elettrico. Ogni singolo dettaglio sensoriale era stato emulato con una fedeltà tale da ingannare un esperto. Questa esperienza dimostra l'enorme attenzione alla "voce del cliente" e come la tecnologia possa ricreare l'esperienza di guida desiderata, indipendentemente dalla fonte di energia.

Quando si parla di auto elettriche, il dibattito pubblico si concentra quasi sempre su tre elementi: le dimensioni della batteria, l'autonomia e i tempi di ricarica. Innovazioni molto profonde nella progettazione dei componenti e nell'architettura dei sistemi stanno portando a soluzioni rivoluzionarie in questo campo. Il segreto: la capacità di non guardare ai singoli componenti, ma considerare l'intero sistema, grazie a un metodo di collaborazione interdisciplinare e interdipartimentale.

Dal punto di vista delle tecnologie abilitanti elettriche, il cuore di questo settore è il Centro di ricerca d'avanguardia PEIC (Power Electronics Innovation Center) del Politecnico.

È questo l'approccio distintivo dei ricercatori del Politecnico di Torino, tra i pochi capaci di vedere bene tutto il problema, integrando ingegneria meccanica, elettrica e digitale, con una visione completa a livello di sistema (il centro CARS) con quella delle tecnologie abilitanti (centro PEIC).

Da questa visione olistica nascono concetti che potrebbero ridefinire il futuro della mobilità sostenibile, dimostrando che la vera svolta non risiede in batterie sempre più grandi, che al contrario a causa del peso e del costo rappresentano un ostacolo alla diffusione della mobilità elettrica, ma in un approccio radicalmente più intelligente.

Ne abbiamo parlato con Radu Bojoi, docente al Dipartimento di Energia (DENERG) del Politecnico e coordinatore del PEIC, e con Andrea Tonoli, docente al Dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale (DIMEAS), dello stesso Ateneo e coordinatore dello Spoke 2 Veicoli su strada e sostenibili del MOST – Centro nazionale per la mobilità sostenibile.

Come spiega Radu Bojoi, nell’elettrificazione la ricerca sulla componentistica elettronica ha un ruolo fondamentale: “Quando si parla di auto elettrica, spesso si trascura un elemento importante, che è l’elettrificazione dei componenti: elettrificazione del powertrain, ovvero del sistema di propulsione, gli elementi che fanno muovere il veicolo; elettronica di potenza, ovvero sistemi di alimentazione e inverter, che possono anche essere integrati nel motore. Tutti questi elementi sono proprio l’oggetto dei nostri studi: devono essere molto affidabili, devono essere leggeri, devono essere facili da integrare nei motori. La vera maestria non sta nel creare i singoli pezzi, ma nella loro integrazione: ed è questa la nostra specialità, anche grazie al fatto che seguiamo un approccio multi-disciplinare. Far coesistere in uno spazio ridotto componenti meccanici sotto stress, circuiti elettronici sensibili e sistemi di gestione termica per garantire un'affidabilità assoluta per centinaia di migliaia di chilometri è un problema multidisciplinare di enorme complessità”.

Un recente brevetto del Politecnico riguarda proprio un componente concepito in modo diverso: una batteria modulare.

Spiega Andrea Tonoli: “Come Politecnico stiamo coordinando lo Spoke 2 del Centro nazionale della mobilità sostenibile. In questo contesto, abbiamo fatto una considerazione: i modelli di veicolo elettrico che si trovano su un mercato attuale sono ai due estremi della scala di dimensioni: o molto piccoli o molto grandi. Mancano del tutto sul mercato dei veicoli che pesino intorno ai 700 kg, che possano portare quattro persone con standard di sicurezza attiva e passiva paragonabili a quelli delle altre autovetture. Quindi la nostra attività si è concentrata nel proporre soluzioni che riempiano quest'area attualmente non presidiata: abbiamo proposto e sviluppato un concetto di veicolo di cui stiamo costruendo un prototipo. In questo contesto, abbiamo pensato a un veicolo che sia modulare dal punto di vista del powertrain, quindi che si adatti ai bisogni di chi lo utilizza. In pratica, la batteria è composta da due parti, di cui una viene usata mentre l’altra può restare in carica a casa. In caso di viaggio lunghi, invece, si possono utilizzare entrambe le metà. Questo permette di ridurre il peso dell’automobile e ottimizzare i tempi di ricarica. Per avere un termine di paragone: la batteria di una Tesla pesa intorno ai 400 kg. Qui stiamo parlando di 60 kg per ogni modulo. È un esempio dell’utilità di rinnovare la componentistica in questo campo”.

La sostenibilità è legata anche a un traffico più scorrevole e sicuro. La ricerca e l'innovazione nel settore della mobilità autonoma e connessa si concretizzano in due principali progetti che vedono il coinvolgimento attivo del Politecnico di Torino. Questi programmi non si limitano alla ricerca teorica, ma implementano sperimentazioni su strada ("living labs") per testare soluzioni in contesti reali: si tratta del progetto TOMOVE, che prevede la circolazione per la città di un minibus a guida autonoma e di piccoli robot per consegne, e del progetto HD-Motion. Il Politecnico collabora strettamente con la Città di Torino e altri partner in questi progetti.

TOMOVE: Living lab per la mobilità del futuro

TOMOVE è un'iniziativa finanziata con fondi PNRR e guidata dalla Città di Torino. Il progetto vede la partecipazione di partner strategici come il Politecnico di Torino, 5T (società in-house del Comune per la gestione telematica del traffico), l'Università di Torino e la Fondazione LINKS. L'obiettivo è creare laboratori a cielo aperto per testare tre macro-temi.

Navetta a guida autonoma: un pulmino elettrico per il trasporto di persone, a guida autonoma ma con un addetto alla sicurezza sempre a bordo (come richiede la normativa), che circola in un ambiente a traffico promiscuo, non in corsia riservata, su un percorso pubblico che si snoda attorno al Campus Einaudi. Per questo progetto il team del Politecnico ha sviluppato un sistema per rilevare la presenza di assembramenti di persone (ad esempio, vicino a una scuola) e allertare la navetta. In risposta, il veicolo può modificare il suo "operational design domain", ad esempio riducendo la velocità massima per aumentare la sicurezza.

Robot per la logistica dell'ultimo miglio: piccoli veicoli autonomi su ruote, dotati di braccio meccanico e sensori (telecamere, LiDAR, radar), progettati per la consegna di merci e pacchi nell'ultimo tratto del percorso logistico. Sono pensati per muoversi su piste ciclabili e marciapiedi, potendo attraversare la strada ma non percorrerla. Lo sviluppo software e la messa in strada di questi robot sono curati principalmente dalla Fondazione LINKS, con cui il Politecnico collabora all'interno del progetto.

Creazione di un Digital Twin: sviluppo di una copia digitale della situazione del traffico a Torino per analisi e simulazioni.

HD-MOTION: un hub per l'innovazione nella mobilità

A differenza di TOMOVE, che è un progetto di sperimentazione diretta, HD-MOTION (Hub for Digital Motion) è una struttura di servizio. Nato come progetto europeo e ora guidato dal CIM 4.0 (un competence center con partecipazione anche del Politecnico), l'hub offre consulenze secondo il modello "test before invest". Il suo scopo è fornire a piccole e medie imprese e a pubbliche amministrazioni un supporto scientifico, manageriale e di networking per sviluppare e validare idee innovative nel campo della mobilità prima di presentarle a potenziali investitori.

Una collaborazione, finanziata tramite HD-MOTION, è stata avviata con la Città di Torino e 5T. L’obiettivo è utilizzare l'intelligenza artificiale per prevedere i flussi di traffico e le potenziali criticità in aree nevralgiche della città.

Obiettivo finale è creare strumenti che permettano una gestione del traffico dinamica e in tempo reale, non solo suggerendo percorsi alternativi ma anche intervenendo attivamente sulla viabilità, ad esempio modificando le fasi dei semafori in base alle condizioni del traffico. Attualmente, le fasi semaforiche a Torino sono controllate da remoto da 5T, ma le modifiche avvengono su orizzonti temporali di settimane o mesi, non in tempo reale.

In che modo sistemi a guida autonoma contribuiscono alla sostenibilità?

Ne abbiamo parlato con Claudio Casetti, docente del Dipartimento di automatica e informatica (DAUIN) e Componente del Centro interdipartimentale FULL - Future Urban Legacy Lab, referente per il Politecnico di questi progetti.

“In primo luogo, TOMOVE prevede che si muovano per la città veicoli autonomi elettrici: un miniautobus a guida autonoma e dei piccoli robot per consegne. Si tratta quindi di una motorizzazione non a combustibile fossile, che va incontro a quelle che sono le nuove normative anche a livello europeo: quindi in primo luogo sono sostenibili perché sono completamente elettrici. Ma questi sistemi sono sostenibili perché possono anche contribuire alla ottimizzazione del traffico. E sono sostenibili perché sono sicuri. La parte di contributo del Politecnico per la navetta a guida autonoma che circolerà intorno al Campus Einaudi è un sistema per rilevare la presenza di assembramenti di persone nell'area che sarà percorsa dalla navetta. Ad esempio: la navetta passa, tra l'altro, vicino a una scuola, quindi si potrebbero creare assembramenti quando escono gli scolari e vengono i genitori a prenderli. Questa segnalazione fa sì che la navetta passi a un regime di velocità più basso”.

Ma c’è di più. La navetta automatica infatti è progettata per integrarsi in un sistema di veicoli connessi, che è fondamentale per sviluppare sempre di più la guida autonoma.

“La navetta a guida autonoma si integra all'interno di un sistema di cosiddetti ITS, cioè intelligent trasportation system, che prevedono un controllo integrato della viabilità: quindi per esempio è in grado di dialogare con semafori attrezzati, che ottimizzano la velocità da seguire per raggiungere il semaforo verde. Questa è una delle le potenziali modalità di comunicazione che i futuri veicoli connessi ed autonomi potranno anche loro usare, è un modo anche per aprire la strada a una rivoluzione del veicolo connesso ed autonomo. E sottolineo il termine 'connesso'. Noi parliamo spesso di veicoli a guida autonoma e assistita, però è anche importante l’aspetto della connessione, ovvero la capacità di ricevere informazioni sullo stato del traffico o sulla pericolosità di certi tratti, non soltanto con i sensori situati a bordo del veicolo - le telecamere, il radar, i lidar – ma anche ricevendo informazioni che possono venire da altri veicoli opportunamente attrezzati per la comunicazione oppure da apparati posti a bordo strada. Tutto questo fa parte di un ecosistema che si chiama Intelligent Trasportation System”.

In questo campo il Politecnico tra l’altro ha brevettato V-Edge, nato dal lavoro di ricerca tra il Politecnico e la Northeastern University di Boston, un sistema con la che fornisce una soluzione per ottenere una comunicazione affidabile tra veicoli e infrastrutture.

Conclude Casetti: “In questo siamo diametralmente opposti a Elon Musk: lui sulla sua Tesla mette soltanto telecamere, mentre noi puntiamo a veicoli che usano questa tecnologia di trasmissione di segnali per far conoscere la propria presenza o identificare altri veicoli. E non sono lontani. Per fare un esempio, già oggi una Volkswagen Golf quando viaggia invia ogni secondo un segnale. In questo segnale ci sono scritte la posizione, la direzione, la velocità, lo stato delle frecce… queste informazioni inviate sono già leggibili oggi. Allo stesso tempo il veicolo può leggere informazioni inviate da dispositivi a bordo strada, cioè dispositivi come un semaforo che dice qual è la velocità da tenere per arrivare a prendere il verde, o segnali di pericolo o di attenzione. Per esempio “il sottopassaggio è allagato”. Tutto questo gioca a favore della sicurezza, ma anche della sostenibilità, perché possono anche arrivare segnalazioni sul traffico, che suggeriscono una deviazione”.

Il futuro è vicino, insomma. E al Politecnico di Torino lo sanno.