Robot: quando la tecnologia imita la natura

Un'avanguardia di progettisti copia le caratteristiche degli animali e dell'uomo per produrre una prima serie di straordinari robot.

Il mondo della tecnologia è in continua evoluzione. Ogni giorno team di specialisti e ricercatori studiano e testano nuovi strumenti, le invenzioni che anno dopo anno fanno breccia nella nostra quotidianità per migliorare la qualità della nostra vita. La fiumana del progresso avanza sempre di più passo dopo passo verso la conquista di nuovi scenari tecnologici e verso le frontiere del sapere, sfidando in ogni momento gli strumenti ormai obsoleti e migliorando le loro capacità. Se il secolo scorso Internet è stato lo strumento che più ha cambiato lo stile di vita dell’uomo, per questo secolo saremo pronti a rimanere affascinati dai robot e dalle loro abilità strabilianti. Non mancano le loro applicazioni nella vita quotidiana. Dai lavori in fabbrica alle operazioni chirurgiche,  è sempre più diffuso il loro utilizzo, privilegiato perché rende meno faticoso il lavoro degli esseri umani. Diverse però sono le critiche verso l’impiego dei robot nei diversi settori industriali: in molti sostengono che il loro uso possa deteriorare l’immagine dell’essere umano che si nobilita proprio attraverso il lavoro fisico, ponendo questioni di natura etico-religiosa al fine di ottenere consensi per fermare lo sviluppo di questo settore.

Contrariamente, team di ricercatori e di professionisti ritengono che l’utilizzo dei robot, possa invece elevare l’uomo il quale non dovendo più condurre attività alienanti può invece sviluppare la sua intelligenza e impiegare le sue energie e forze per incrementare lo sviluppo culturale della popolazione.

Paure e speranze a parte, oggigiorno il settore della robotica è in continuo sviluppo e miglioramento. Tanto è vero che possiamo parlare con molto facilità di temi come l’intelligenza artificiale, la biomimetica della natura e l’automazione. Queste tre parole-chiave hanno come fondamento di base la Natura che diventa la guida, il mentore, il modello d’ispirazione perfetto al quale attingere.

I minimi dettagli che particolareggiano il corpo umano o l’anatomia animale sono usati come punti di riferimento per sviluppare nuovi dispositivi che intendono imitarli. Prendere a modello la natura è proprio alla base della progettazione degli strumenti robotici: le caratteristiche degli organismi viventi vengono copiate al fine di riprodurre qualcosa di molto simile che può essere utilizzato per le applicazioni ingegneristiche. Per esempio, la flessibilità della proboscide di un elefante è di ispirazione per guidare lo sviluppo di molti strumenti chirurgici.

Sono centinaia le università coinvolte in questo processo e molte sono le aziende che decidono di affiancarle o di finanziarne i progetti.

Una società molto importante e preponderante in questo settore è senz’altro la Boston Dynamics, le ricerche svolte dai suoi ingegneri sono fondamentali per la progettazione di robot con sembianze umane o animali.

Il suo fondatore Raibert la considera “un semplice gruppo di ingegneri che costruiscono robot” ma è molto di più: un’avanguardia. I robot di questa società sono considerati tra i più avanzati sulla Terra e sono impiegati in qualsiasi tipo di operazione: dalle emergenze all’aiuto militare fornito in guerra.

Il primo umanoide: PETMAN

Il primo modello di robot della Boston Dynamics è stato PETMAN, un dispositivo bipede costruito per testare le tute di protezione agli agenti chimici. Si tratta infatti del primo esempio di robot capace di muoversi dinamicamente come una persona reale. La sua utilità nasce dall’esigenza di valutare le protezioni usate dalle truppe di decontaminazione, compito che il robot antropomorfo esegue permettendo risultati più precisi rispetto alle più recenti macchine di controllo. Il sistema consiste in una camera chimicamente esposta in cui il robot indosserà, proprio come un umano, la tuta. Questo ragazzone pesa circa 80 kg ed è alto 175 cm.

PETMAN riesce a raggiungere i 7.08 km/h guadagnando il titolo di robot bipede più veloce al mondo. Riesce a strisciare, a muoversi in maniera indipendente, mantenersi in equilibrio anche se spinto e a reagire allo stress da tuta esattamente come farebbe un umano.

Il fratellino: ATLAS

Il fratello minore di PETMAN è invece Atlas, un robot bipede capace di essere utilizzato nelle situazioni più pericolose, nato per “cercare e salvare”.

Nel 2013 abbiamo avuto l’opportunità di guardare a fondo e di focalizzarci su cose importanti. Abbiamo ridisegnato questo umanoide rendendolo simile alla specie umana, quasi con lo stesso livello di forza e range di mobilità.”

Marc Raibert, CEO Boston Dynamics

Il nuovo modello di Atlas è alto circa 180 cm ed è capace di correre per 30-60 minuti.
Costruito in alluminio e titanio possiede due sistemi di vista: un telemetro a laser ed una camera stereoscopica. Il telemetro laser è un particolare dispositivo che permette di individuare la posizione di un oggetto nel campo visivo valutando la distanza da quest’ultimo all’osservatore utilizzando il tempo impiegato dall’impulso per arrivare all’oggetto e tornare indietro mentre la camera stereoscopica permette la visione bifocale (il robot può cioè vedere bene sia da vicino che da lontano).

Atlas può navigare nei terreni paludosi e arrampicarsi indipendentemente utilizzando i propri arti. Nel 2016, la Boston Dynamics ha postato un video su YouTube in cui la nuova versione di Atlas è capace di camminare persino sulla neve o su altri tipi di terreni. Nell’ottobre 2018, un nuovo video mostra Atlas saltare su delle superfici di legno dimostrando che il robot gestisce di per sé l’equilibrio e il suo peso: non si tratta di un programma in esecuzione ma il robot ha la capacità di decidere -in base alle situazioni e alle circostanze- come muoversi al meglio.

Il software usa tutto il corpo incluso gambe, torace e braccia per gestire la forza necessaria affinché possa saltare passo dopo passo usando la visione computerizzata per gestire i movimenti.

Umanoidi a confronto

Per quanto questi robot possano sembrarci così distanti dalla fisiologia dell’essere umano e dalle sue capacità, essi sono frutto di un accurato studio volto a comprendere i processi biologici che caratterizzano gli esseri viventi. Affinché i robot possano svolgere le loro attività in maniera dinamica e indipendente è necessario che assomiglino quanto più possibile all’uomo e che acquisiscano le sue abilità.

L’antenato di Atlas, PETMAN, utilizza infatti il processo di controllo della temperatura, detto di omeostasi, esattamente come gli umani ed è capace dunque di registrare i dati -sottoposto allo stress chimico- della sudorazione, della temperatura corporea e dell’umidità. Lo scopo della progettazione di PETMAN era quello di costruire un robot che si muovesse come un umano e per fare ciò era necessario che avesse anche le stesse misure del corpo per poter sviluppare la stessa forza, velocità e movimenti all’atto di indossare le tute da testare.

I movimenti di PETMAN sono gestiti da diversi sensori integrati nel robot che riescono a misurare la sua posizione nello spazio. L’hardware utilizzato è stato progettato partendo dal definire un set di movimenti simili a quelli umani: camminare, saltare, sedersi, strisciare ed altre attività sviluppate dai soldati durante gli allenamenti. I dati sul movimento vengono raccolti basandosi sull’osservazione di soggetti che riproducono queste azioni fornendo i dati cinematici per definire i collegamenti e il range dei movimenti. La pelle del robot è composta da gusci che regolano la temperatura.

PETMAN ha circa 90 sensori specializzati. Mentre i sensori misurano l’inerzia (l’attitudine del corpo a reagire all’accelerazione), i sensori di collegamento misurano i movimenti e la forza. Altri sensori invece monitorano l’omeostasi del robot: la pressione, il flusso e la temperatura, esattamente come l’essere umano controlla e regola la temperatura del proprio corpo.

ATLAS è invece molto più vicino all’uomo per le sue capacità visive e per le attività muscolari definite fini, ovvero la coordinazione dei muscoli in movimento con gli occhi. Queste capacità motorie sono collegate alle mani, alle dita, ai piedi e ai fianchi ed includono movimenti come prendere gli oggetti tra il pollice ed un dito, scrivere con attenzione e persino battere le palpebre.

Le abilità visive di Atlas, sviluppate grazie all’utilizzo di una stereocamera, rimandano alla visione binoculare umana: gli occhi partecipano entrambi per fornire una visione della stessa area di campo o dello stesso oggetto, così facendo le immagini fornite dai due occhi possono sovrapporsi fornendo un effetto di tridimensionalità per oggetti molto vicini. La differenza sostanziale rispetto a PETMAN è che i ricercatori sono riusciti a diminuire l’inerzia degli arti garantendo movimenti più dinamici.

Il problema risiedeva nel peso del robot: se sei più pesante hai bisogno di più forza per muoverti.

Per fronteggiare quest’avversità, il team BD si è spinto oltre sperimentando tecnologie all’avanguardia. La parte più insidiosa riguarda la gamba del robot, ricca di sensori necessari al movimento, della quale è stata solo perfezionata il cilindro rotante utilizzando una stampante 3D. Il problema del costruire un robot molto moderno sta nella costrizione ad utilizzare soprattutto strumenti obsoleti che ne limitano i benefici e la realizzazione. Un’altra insidia legata alla costruzione del robot è la mancanza sul mercato di valvole molto piccole.

Una valvola è uno strumento che regola la quantità di liquido che scorre in un condotto: così come le valvole cardiache negli umani, esse servono per guidare i flussi dei fluidi che scorrono anche nei robot. I ricercatori coinvolti hanno utilizzato delle servovalvole -particolari valvole adatte per il controllo della posizione, velocità, pressione del fluido- capaci di eseguire i controlli grazie ad un segnale elettrico di ingresso. Sono delle valvole “elettriche”, dotate di un segnale che permette di moderare la quantità di liquido che scorre all’interno del condotto.

Il mulo da guerra: BigDog

Nell’esercito di robot della Boston Dynamics è presente anche BigDog, un robot quadrupede dinamico finanziato con la speranza che possa essere il mulo da trasporto dei soldati impegnati in missioni svolte su terreni impervi. Le gambe di questo “cagnolino” sono ricche di sensori che permettono di determinare la posizione e di mantenere l’equilibrio del corpo stesso. Come Atlas, anche BigDog è dotato di un sistema di visione stereoscopica.

Alto 70 cm, pesa 75 kg ed è capace di camminare alla velocità di 5.3 km/h, potendo trasportare un carico di 154 kg. I movimenti sono gestiti da un computer di bordo installato sul robot ma riceve gli input in ingresso da un sistema di controllo esterno gestito da un operatore .

BigDog è alimentato da due motori a combustione interna (quelli che comunemente troviamo nelle nostre automobili) incaricati di introdurre carica nel motore scaricando i prodotti esauriti tramite un apposito impianto. Il motore guida una pompa idraulica che permette alla gamba di muoversi.

Bestiario robotico

Le caratteristiche speciali dell’anatomia animale sono davvero utili per riprodurre i loro movimenti ed utilizzarli nelle applicazione di tutti i giorni, dalla produzione di manifatture alla procedure chirurgiche le caratteristiche anatomiche degli animali possono fornire degli spunti necessari per costruire strumenti che facilitano le azioni importanti della vita quotidiana.

Oltre BigDog, la Boston Dynamics ha creato e testato il robot più veloce: un quadrupede ispirato al ghepardo. La parte più difficile da realizzare è stata quella di imitare la spina flessibile dell’animale  e la coordinazione delle gambe con i movimenti. La macchina ha registrato una velocità di 28.3 mph: ciò che permette di muovere il tutto è una pompa idraulica ed un motore a benzina. Il quadrupede robotico è utilizzato nelle operazioni militari e di emergenza ma rimane ancora lontano dal record raggiunto dal suo mentore naturale.

Altri esemplari sono stati progettati dall’Università di Carnegie Mellon che hanno programmato una serie di robot simili a serpenti, gli Snakebots, molto utili sui siti dei terremoti e spesso impiegati in operazioni chirurgiche. Tanto è vero che un team di ricercatori ha aiutato la Croce Rossa messicana durante il terremoto che ha colpito la capitale al fine di trovare i sopravvissuti. Il serpente possiede un piccolo diametro e una grande abilità a muoversi in qualsiasi direzione, una camera frontale ed un microfono per ascoltare eventuali rumori causati dalle vittime.

Ancora in fase di sperimentazione è il MantaDroid, un robot acquatico costruito da un gruppo di ricercatori di Singapore, capace di nuotare come un manta . Le sue pinne flessibili gli permettono di nuotare persino nei mari più turbolenti.

Il mondo è in continua evoluzione e per quanto possano essere considerati “immorali”, i robot sono davvero utili per l’uomo e per la vita quotidiana. Il loro utilizzo non mette necessariamente a rischio la vita dell’essere umano. Permettono anzi di effettuare molte operazioni che sono considerate dannose per quest’ultimo. Anche se questi dispositivi sembrano minacciare l’individualità dell’uomo sono indispensabili per salvargli la vita.

Articoli correlati