Mi chiamo Luca Roncella e sono Game Designer e Interactive Producer al Museo della Scienza e della Tecnologia "Leonardo da Vinci" di Milano. Lo scopo di questo Making of è quello di condividere il processo col quale abbiamo realizzato nel 2016 al Museo una installazione interattiva per l'esposizione permanente Extreme - Alla ricerca delle particelle dedicata alla fisica delle particelle.

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Immagine © Museo della Scienza

IL SIMULATORE DI MATERIA OSCURA

Il concetto di materia oscura nell'esposizione è reso attraverso un'installazione multimediale interattiva progettata dal Museo e realizzata con lo studio Streamcolors, che suggerisce come l'esistenza e il comportamento di ciò che osserviamo nell'Universo sia determinato da qualcosa che non è osservabile. L'installazione utilizza come caso di studio una galassia a spirale. Il visitatore ha davanti a sé l'immagine della galassia. Su un piano orizzontale può plasmare virtualmente una massa informe, che rappresenta la materia oscura. Mentre agisce su questa massa, in tempo reale la forma della galassia si modifica e cambia la sua rotazione così come potrebbe accadere se la materia oscura ipotizzata dovesse spostarsi.


GLI OBIETTIVI DELL'INSTALLAZIONE

1) Raccontare come la materia ordinaria costituisca meno di un quinto di tutta la materia dell'Universo mentre il resto è materia oscura. La dimostrazione dell'esistenza della materia oscura è uno dei temi aperti nel mondo della ricerca

2) Far comprendere al visitatore come in alcune situazioni astronomiche gli effetti gravitazionali non si spieghino con la materia ordinaria, ma siano dovuti alla presenza di questo altro tipo di materia che non emette, non riflette, non assorbe né la luce né le altre radiazioni elettromagnetiche ma è dotata di una massa e quindi esercita forza di gravità;

3) Descrivere al visitatore come la materia oscura sia in grado di tenere insieme gli ammassi di galassie, di produrre la rotazione osservata nelle galassie, di generare la struttura dei filamenti galattici e di rendere conto delle difformità nella radiazione cosmica di fondo.


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Image courtesy of Streamcolors

L'IDEA DEL CURATORE: COME SPUMA SULLE ONDE

Per questo exhibit l’idea iniziale del curatore era quella di rappresentare il concetto di materia oscura legandola non tanto alla sua influenza sul comportamento delle galassie, concetto emerso successivamente nel corso della progettazione, quanto alle tracce dei filamenti galattici ravvisabili nel cosmo.

L’installazione dal nome provvisorio “come spuma sulle onde” era stata immaginata come una sand box interattiva che rappresentasse come l’esistenza della materia visibile nell’Universo fosse determinata da qualcosa che non si vede (materia oscura). La materia oscura in questo caso era resa con della sabbia nera chiusa in un contenitore. Modellando la sabbia il visitatore avrebbe creato rilievi e forme di diverse altezze. Attraverso un sistema di videomapping dall’alto su ogni cresta sarebbero comparsi punti luce, più densi e numerosi a seconda delle altezze, che avrebbero riprodotto il comportamento dei filamenti galattici. Intorno alla sand box sarebbero state mostrate le immagini di altri casi spiegabili con l’esistenza della materia oscura: gli ammassi e la rotazione di galassie, le lenti gravitazionali e le anisotropie della radiazione cosmica di fondo.

Questa suggestiva idea però si dimostrò ben presto inattuabile per problemi di natura tecnica: far lavorare i visitatori con la sabbia all’interno di una sala espositiva del Museo ricca tra l’altro di preziosi beni storici avrebbe comportato problemi di pulizia e contingentamento della polvere. Si pensò a soluzioni che avrebbero costretto il visitatore a infilare le braccia all’interno di guanti sigillati alla teca contenente la sabbia ma questa e altre soluzioni avrebbero comportato problemi di igiene e comunque della perdita di immediatezza e di modellabilità della sabbia facendo perdere gran parte del senso dell’esperienza.


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Alcuni dei primi bozzetti concettuali che mettono in relazione una massa di particelle (materia oscura) con la formazione di corpi luminosi. Immagini © Museo della Scienza

Si iniziò così a ragionare su un sistema che simulasse in qualche modo il comportamento della sabbia in digitale.


DALLA SPUMA ALLA...POLVERE

Nel 2011 era stato pubblicato da Ubisoft il videogame From Dust del celebre autore Eric Chahi (creatore del videogame cult “Another World”).

From Dust è un gioco del genere “God Game” dove il giocatore deve decidere il destino di una tribù primitiva in lotta contro un ambiente naturale in continua evoluzione. Il giocatore per sopravvivere deve “modellare” gli elementi naturali a suo favore.

Nel gioco è possibile modellare in tempo reale sabbia, acqua, lava realizzati in 3D real time a proprio piacimento, secondo una simulazione realistica del comportamento fisico di questi elementi.

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Alcuni screenshot del videogame “From Dust” di Ubisoft (2011) © 2011 Ubisoft Entertainment. All right reserved

Da questo gioco nacque la prima idea embrionale di come sarebbe potuta essere l’installazione: l’utente avrebbe “modellato” su un touch screen la materia oscura e questa in tempo reale avrebbe generato picchi e creste luminosi, come nella prima idea della sand box.

Bingo!

Ma ai sogni segue sempre il risveglio: implementare un engine fisico che avesse consentito di modellare in real time un elemento fluido come la sabbia (o la materia oscura) poteva essere una sfida da cogliere (e vincere) per Ubisoft ma per il Museo della Scienza di Milano le cose si sarebbero complicate non poco.

Ma non tutto era perduto, quando si conoscono le persone giuste.

La risposta poteva essere uno studio di arte digitale con sede a Milano, Streamcolors, specializzato nello sviluppo di software in real time rinomato per avere portato il motore grafico Unreal di Epic Games, la piattaforma più avanzata per la realizzazione di videogiochi, fuori dall’industria gaming consentendo a un ampio pubblico di vivere esperienze immersive attraverso installazioni, video in 3D, realtà virtuale e videogiochi.

Forse Streamcolors e Unreal avrebbero potuto aiutarci a concretizzare il nostro sogno tecnologico.

Certo, nessuno al momento era in grado di implementare un sistema del genere, ma ci si sarebbe potuto lavorare sopra, sperimentare. Una fase di ricerca e sviluppo era fondamentale.

Dalle prime ricerche abbastanza confortanti emerse che sarebbe stato possibile implementare un sistema in tempo reale dove un sistema particellare interattivo avrebbe comportato delle modificazioni in un sistema di galassie

La spuma sulle onde e From Dust avrebbero riposato in pace. 

Ci saremmo però levati ogni velleità di realizzare una sand box virtuale real time, davvero troppo complessa tecnologicamente ma soprattutto per il budget e i tempi a disposizione.

La nostra attenzione, ma soprattutto quella del curatore, si spostò dunque dai filamenti galattici alle galassie evitando la trappola di dover rappresentare ammassi di materiale 3D modellabile

Con il nuovo concept ci si era immaginati un ammasso di galassie virtuali (50-100) in uno stato di equilibrio. Ogni galassia compiva un’orbita fissa attorno ad un centro di massa. Sul touchscreen, l’utente avrebbe potuto interagire con un ammasso di materia oscura - un sistema di particelle 3D - che al trascinamento si sarebbe trasformato e spostato nella direzione del tocco sullo schermo. Al mutare della concentrazione di massa oscura sul touchscreen causato dal trascinamento dell’utente, le galassie avrebbero modificato in tempo reale le proprie orbite andando ad orbitare attorno al nuovo centro di massa, più consistente.

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I primi layout funzionali che mostravano come doveva funzionare l’installazione: sulla destra, il sistema particellare interattivo manipolabile dell’utente; sulla sinistra, un sistema di galassie animate che avrebbero reagito allo spostamento della materia oscura. Immagini © Museo della Scienza


LA TEORIA PURA E I PRIMI TEST TECNOLOGICI

Se lo sviluppo tecnologico dell’installazione era certamente una sfida da meno non si poteva dire del modello teorico e simulativo sotteso. Stavamo ragionando su teorie e conoscenze nell’ambito della fisica sub-atomica ancora ben lontane dall’essere dimostrate sperimentalmente.

Il comportamento della materia oscura, ma ancor prima, della sua stessa esistenza erano solo teorie di scienziati e temi di studio e dibattito.

Non esisteva nulla di già esistente che potesse mostrare con semplicità la soluzione o da cui trarre ispirazione per la nostra simulazione.

In quei giorni vennero interpellati diversi fisici teorici di INFN e CERN per vagliare se la nostra idea avesse avuto un fondamento quanto meno teorico corretto. Il fondamento c’era, saremmo stati suppergiù i primi a realizzare un software real time per mostrare a tutti come si comporta la materia oscura con l’universo.

Qualcosina in rete si trovava, ad esempio questa simulazione sulla creazione dell’Universo elaborata dal Massachusetts Institute of Technology, Harvard University, Heidelberg Institute for Theoretical Studies, University of Cambridge, Institute for Advanced Study Princeton, Space Telescope Science Institute.

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In questo video trovammo qualche ispirazione per capire il meccanismo che lega materia oscura e comportamento dei corpi celesti.

https://www.illustris-project.org/
Illustris Simulation: Most detailed simulation of our Universe - Towards a predictive theory of galaxy formation

Dal punto di vista tecnologico questo è stato uno dei primi test sul comportamento delle particelle di un possibile ammasso di materia oscura dinamico: da un emettitore di particelle scaturiscono particelle a cui viene impressa una direzione tramite un elemento “magnete”. In questo modo si può rappresentare il movimento di una massa in maniera fluida; ma come calcolare la quantità di particelle presenti per stabilire in che modo possano influenzare la forma della galassia?














Video courtesy of Streamcolors

La ricerca ci portò alla fine a optare per la visualizzazione di una sola galassia per osservarne come cambiano la rotazione e il suo aspetto prima di raggiungere una situazione stabile. La velocità di rotazione di stelle e nubi di gas attorno al centro della galassia è infatti determinata dalla quantità di massa presente, formata sia dalla materia ordinaria sia dalla materia oscura. Maggiori quantità di massa provocano velocità di rotazione più alte. 

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Altri test su un campo vettoriale in Unreal. Image courtesy of Streamcolors

E SE UNREAL NON FOSSE IN GRADO DI GESTIRE LE GESTURE?

Ad un certo punto dello sviluppo ci si rese conto che Unreal non era in grado di gestire le gesture di uno schermo touchscreen. Questo era un vero problema. Come avremmo fatto a rendere manipolabile la massa particellare di materia oscura adesso che era quasi pronto il software?

Alla fine Streamcolors ne venne a capo scrivendo da zero il codice.

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Uno dei primi prototipi funzionanti dell’installazione prevedeva alcuni “slider” per controllare la caratteristiche della galassia: la densità, il colore, la saturazione del colore e l’esposizione. Inoltre era possibile zoomare per avvicinarsi o allontanarsi.

Nella versione definitiva sono stati implementati gli slider per l’esposizione dell’immagine della galassia e per zoomare la galassia. Quattro cursori consentono di ruotare a piacimento dell’utente l’immagine della galassia per osservarla dall’angolatura preferita.


IL RISULTATO FINALE

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Quando si addensa molta materia oscura (particelle rosse/gialle) la galassia assume la tipica forma a spirale. Image courtesy of Streamcolors

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Quando la materia oscura viene dissolta (particelle azzurre) la galassia perde la sua abituale conformazione e si dissolve nello spazio (non c’è più forza gravitazionale che tiene insieme pianeti, stelle). Image courtesy of Streamcolors

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Immagine dal tutorial della installazione. Image courtesy of Streamcolors

0baeb7a59d48b93a1099fe4a8ce68621.jpgIl touchscreen con l'ammasso di materia oscura. Immagine © Museo Scienza

8dd97e72c0f837eba057d866dd4c685f.jpgL'installazione con la postazione touchscreen e la video proiezione con la galassia in mutazione. Immagine © Museo Scienza

Dark Matter Simulator installazione permanente della sezione espositiva "Extreme. Alla ricerca delle particelle" al Museo Nazionale della Scienza e della Tecnologia "Leonardo da Vinci" a Milano. Video courtesy of Streamcolors