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Il safari dei robot biomimetici

Al Robot Safari di Londra vedi l'evoluzione di creature incredibili. Ghepardi, salamandre e squali artificiali sono pronti a sciamare per il nostro pianeta.
9.12.13
Cheeta-cub è un velocissimo robo-mammifero a quattro zampe. Foto: Biorobotics Laboratory, EPFL

I robot sono già in grado di combattere, fare arte e vincere a sasso-carta-forbice, ma hanno ancora molta strada da fare quando si tratta di muoversi dal punto A al punto B su terreni accidentati. Il robot standard dotato di ruote può andar bene sul vostro pavimento di marmo, ma metteteci un po' di fango, acqua e sassi e diventerà agile come un Dalek su una rampa di scale.

I ricercatori dell'École Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL) guardano al mondo animale per trovare l'ispirazione e far muovere i loro robot. Col loro lavoro stanno contribuendo alla comprensione del funzionamento della spina dorsale e allo studio dei meccanismi con cui i movimenti animali sono evoluti nel corso dei millenni—vedi chi nuota, striscia e corre.

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Una selezione dei loro robot è stata esposta come parte della mostra "Robot Safari" al Museo della Scienza di Londra. L'esposizione ha reclutato robot biomimetici da tutta Europa, ma l'EPFL era l'istituzione più rappresentata con ben quattro macchine a disposizione del pubblico. Tra questi spicca Cheeta-cub, il più veloce robot quadrupede del mondo nella categoria sotto i 30 chilogrammi.

Amphibot III è ispirato alla lampreda. Foto: Biorobotics Laboratory, EPFL

Ma i ghepardi sono già parecchio avanti nella catena evolutiva. Per dare inizio al loro progetto di robo-evoluzione, i ricercatori sono partiti qualche gradino più in basso, con un robot che aveva per modello la lampreda, un pesce che sembra un serpente, bruttino e con le zanne. Amphibot possiede un movimento natatorio simile a quello della lampreda, e grazie alla sua colonna vertebrale robotica può nuotare veloce come un essere umano.

“Quello che controlla i movimenti del robot è un modello realistico della spina dorsale di una lampreda,” mi ha spiegato al telefono Auke Ijspeert, a capo del laboratorio di biorobotica. “Poche persone si rendono conto che, per quanto riguarda la locomozione, la spina dorsale è la parte più importante dell'intero sistema nervoso. È possibile continuare a muoversi senza molte altre parti del cervello, come quando mozzate la testa a un pollo e lui decide di farsi l'ultima corsetta.”

Amphibot dimostra che gli scienziati hanno compreso l'organizzazione della colonna vertebrale della lampreda abbastanza bene da capire in che modo ne controlla i movimenti. Un bel passo avanti per le neuroscienze nella comprensione della spina dorsale dei vertebrati.

Salamandra Robotica II, un semplice robot salamandra. Foto: Kostas Karakasiliotis, Biorobotics Laboratory, EPFL

Un passo più avanti nel percorso evolutivo c'è la salamandra, un animale chiave quando si parla di evoluzione.

“È un anfibio molto simile ai primi vertebrati terrestri, quindi è un animale che può sia nuotare che camminare. Di nuovo, è la spina dorsale a gestire completamente l'andatura a nuoto o sulle zampe,” dice Ijspeert.

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Nel 2007, in uno studio sulla rivista Science, il ricercatore e i suoi colleghi hanno dimostrato che aggiungendo un ulteriore livello di controllo nei circuiti di coordinazione dei movimenti del robot lampreda, è possibile fare in modo che la sua spina dorsale compia la transizione dal nuoto alla camminata. Ijspeert ipotizza che questo potrebbe rappresentare uno stadio chiave del percorso evolutivo degli animali, ovvero il salto che ha permesso il passaggio dall'acqua alla terraferma.

Pleurobot è stato presentato a Londra la scorsa settimana. Foto: Biorobotics Laboratory, EPFL

All'EPFL hanno trovato la salamandra così interessante che hanno deciso di costruire altri automi basandosi sullo stesso modello. Salamandra Robotica è una semplice evoluzione del robot lampreda, ha un solo motore per arto ed è progettata per mostrare il passaggio base dal nuoto alla camminata. Pleurobot, la loro ultima robo-creatura, ha il doppio dei motori e si muove in modo molto più simile all'animale reale.

Per riprodurre accuratamente questi anfibi simili a lucertole, i ricercatori hanno lavorato in collaborazione con un team di biologi, analizzando ogni differente movimento dell'animale. Per farlo hanno utilizzato una macchina a raggi X, che mostrava ogni dettaglio dei movimenti delle ossa.

“In pratica avevamo i migliori dati disponibili per spiegare la locomozione della salamandra, e partendo da quelli abbiamo costruito con cura un automa che ricalcasse i movimenti ossei durante ogni tipo di andatura—nuotare, strisciare, camminare” spiega Ijspeert. Pleurobot è ancora in costruzione, e durante la sua visita a Londra non era ancora in grado di nuotare—è in attesa della sua tuta impermeabile.

Cheetah-cub è il più veloce robot quadrupede sotto i 30 chili. Nessun altro al mondo eguaglia i suoi 1,42 metri al secondo. Foto: Biorobotics Laboratory, EPFL

Cheetah-cub è stato il primo tentativo di riprodurre la locomozione dei mammiferi—tra lui e il robot salamandra c'è un bel balzo evolutivo. La più grande sfida dei robot mammiferi, mi ha detto Ijspeert, è mantenere l'equilibrio: un gatto è ben più alto da terra di una salamandra e quindi più incline a sbilanciarsi e a cadere. Il loro prototipo di ghepardo (che in pratica è un insieme di gambe) imita la biomeccanica di un mammifero, cosa che lo rende molto più facile da controllare.

“È come scaricare il problema della stabilità direttamente alla meccanica, al corpo,” continua Ijspeert. “Mi piace definirla l'intelligenza del corpo; un'intelligenza meccanica che spesso siamo portati a sottovalutare.”

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Dato che Cheetah-cub ha la stessa disposizione degli arti di un vero ghepardo, con muscoli e tendini robotici che condividono le stesse proprietà, può affrontare le difficoltà legate al movimento in un modo che non può che essere definito “naturale”. I ricercatori hanno un controller per guidarlo, ma bastano poche e semplici istruzioni—destra, sinistra e così via—che la spina dorsale del robot, fatta di microcontrollori e microprocessori, trasforma automaticamente i comandi nei differenti segnali necessari per compiere il movimento.

Guardate Cheetah-cub come corre! Fonte: Youtube/EPFL Biorobotics Laboratory

Potete capire da soli dove si va a parare: dalla lampreda, alla salamandra, al ghepardo e infine all'uomo. Ovviamente il movimento bipede umano è molto più complicato, ma il principio rimane lo stesso.

“Quello a cui vogliamo contribuire sul lungo periodo è la capacità di progettare terapie in grado di correggere le conseguenze di un danno alla spina dorsale,” dice Ijspeert. Per lui, questo tipo di contributo alle neuroscienze è il principale motivo che lo spinge a lavorare con i robot. Per approfondire questi studi, il suo laboratorio sta conducendo alcuni test sui robot umanoidi sviluppati dall'IIT di Genova, tra cui il robot-bambino iCub e il suo successore adulto COMAN.

Tralasciando il più ampio obiettivo della conoscenza scientifica, questi robot presentano varie applicazioni pratiche. Un progetto parallelo sta studiando come utilizzare i robot lampreda e salamandra in missioni di recupero all'interno di strutture collassate, in particolare quelle sommerse dall'acqua. Equipaggiati con dei sensori, questi robot potrebbero strisciare e nuotare all'interno dei relitti per ispezionarli o cercare sopravvissuti, senza che ci sia bisogno di rischiare la vita di persone o cani da soccorso. Nel frattempo, Amphibot viene già impiegato per monitorare l'inquinamento dei laghi.

Il robo-pesce Jessiko dimostra come gli automi possono lavorare in “branco”. Foto: Robotswim

Tra gli altri robot presenti al Robot Safari c'era U-CAT, una tartaruga robotica costruita  dall'Università di Tecnologia di Tallin per ispezionare i relitti. C'erano anche il robo-pesce Jessiko e iTuna, rispettivamente della francese Robotswim SARL e del Politecnico di Madrid. Infine, sempre da Madrid, lo svolazzante Bat-Bot.

Ijspeert vede un futuro letteralmente brulicante (nonché natante e volante) di robot biomimetici che ci aiuteranno nelle esplorazioni, nei trasporti e nelle missioni di soccorso. Va detto però che c'è un settore con il quale non lavora volentieri: quello militare.

“Il nostro intento è puramente civile e voglio che rimanga tale,” ha dichiarato. “C'è il rischio che la robotica acquisisca una brutta fama, come sta succedendo per esempio con i droni… Penso che ci sia il rischio di muoversi in una direzione del tutto sbagliata.”

Quindi per il momento diamoci dentro con i robot mimetici, ma solo come animali domestici o da soccorso, niente predatori please.