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Io Uomo tu Robot
Sciami di robot per collaborare con l’uomo

Negli ultimi decenni  diverse ricerche nell’ambito della robotica hanno riguardato lo studio dei modelli organizzativi delle società degli insetti sociali principalmente api, vespe, formiche e termiti, per la loro capacità di realizzare società complesse  e per il loro comportamento collaborativo. Di piccole dimensioni e con limitate capacità cognitive sono comunque in grado di connettersi dinamicamente tra loro e le semplici azioni dei singoli , attraverso meccanismi di interazione, fanno emergere un complesso comportamento di gruppo , il risultato  di un'intelligenza collettiva.

Traendo ispirazione da questi metafore biologiche, la tecnologia robotica ha sfruttato alcuni dei loro principi e i ricercatori cercano di simulare un “comportamento intelligente” per realizzare   un grande numero di robot semplici, swarm-bot, in grado di mostrare un comportamento collettivo complesso  capace di far emergere la soluzioni a problemi complessi altrimenti difficilmente   risolvibili con i sistemi computazionali convenzionali.  

Sciami di robot subacquei che funzionano come banchi di pesci, scambiandosi informazioni al fine di poter monitorare l’ambiente, esplorare e raccogliere risorse in ambienti marini. Per l’agricoltura di precisione sciami di droni che si muovono in aiuto degli agricoltori attraverso prototipi in grado di individuare ed eliminare le piante infestanti ed aumentare la produttività. Ma anche per essere utilizzati per le operazioni di ricerca e salvataggio  di sopravvissuti nel caso di un terremoto.

Modelli biologici di comportamenti collettivi

In natura osserviamo diverse specie animali  che manifestano un comportamento collettivo e tra i più studiati ci sono gli insetti sociali ed altri sistemi biologici, come ad esempio il movimento di banchi di pesci o lo spostamenti di stormi di uccelli.

Numerosi sono gli esperimenti  effettuati negli ultimi vent’anni, in particolare gli studi riguardanti le dinamiche collettive di popolazioni di insetti sociali come le api e le formiche  (Camazine, Deneubourg, Franks et al. 2001).

Edward O. Wilson , un importante biologo contemporaneo,   colloca le società degli insetti tra i più alti vertici delle organizzazioni sociali nel regno animale.

Gli insetti sociali nella loro organizzazione sociale  hanno saputo  risolvere con successo diversi problemi  come  la costruzione del nido e la sua difesa, la ripartizione del lavoro tra i singoli, la ricerca del cibo, il trasporto cooperativo e la difesa dagli attacchi dei predatori.

Hanno saputo trovare la soluzione di questi problemi in un modo efficiente e sorprendente   coniugando   flessibilità e robustezza: la flessibilità intesa come una migliore adattabilità alle frequenti e mutevoli modifiche dell’ambiente, mentre la robustezza è una caratteristica che dota la colonia della capacità di funzionare anche se alcuni individui non possano riuscire a eseguire isolatamente  il loro compito.

Tra le  peculiari di attività collettive, la costruzione del nido è certamente la più sorprendente ed è sufficiente osservare le sofisticate forme delle strutture realizzate dalla colonia e la loro ottima organizzazione. I nidi degli insetti sociali sono straordinari per dimensione, regolarità e simmetria strutturale, mentre la mole di un termitaio  può raggiungere anche otto metri di altezza. Come sottolineano Guy Theraulaz, e collaboratori , tutto questo avviene in presenza di una grande differenza esistente tra il risultato della semplicità  comportamentale di ogni  singolo insetto e la capacità complessiva che emerge dal gruppo nella realizzazione di strutture altamente organizzate.

L’intelligenza dello sciame

L’intelligenza dello sciame (swarm intelligence) è un interessante e promettente settore di ricerca interdisciplinare che si è sviluppato attivamente a partire dagli anni 90.

Le ricerche hanno dimostrato che le decisioni collettive emergono in modo spontaneo dalle molteplici e peculiari reti di interazioni dinamiche (olfattive, gestuali, ...) dei singoli che assicurano la trasmissione di informazioni e ne definiscono i comportamenti. Interazioni che possono essere molto semplici come nel caso di una formica che si limita a seguire la traccia lasciata dalle altre per raggiungere una fonte del cibo. Ai singoli insetti manca la capacità di saper centralizzare le informazioni sullo stato dell’intera colonia e dispongono solo di  informazioni locali senza avere alcuna conoscenza del comportamento che caratterizza l’intero gruppo. Singolarmente non sono in grado di trovare una soluzione efficiente ai problemi , mentre l’organizzazione della stessa è “complessivamente”in grado di far emergere  una soluzione che rende il sistema altamente organizzato flessibile e robusto.

Tutto questo avviene senza un intervento dall’alto di un leader o supervisore che dia loro direttive gerarchiche e in definitiva li comandi. 

Questo fenomeno di coordinamento decentralizzato, basato sull’applicazione scrupolosa di regole di comportamento locali, è chiamato autorganizzazione (Camazine, Deneubourg, Franks et al. 2001).

Jean-Louis Deneubourg e Simon Goss furono i primi a dimostrare che il principio dell’auto-organizzazione, all’inizio utilizzato per spiegare processi  fisici e chimici, poteva essere adottato anche per gli insetti sociali. Oggi lo ritroviamo in ambiti disciplinari diversi quali: fisica, biologia, chimica, economia e sociologia.

Sicuramente molti di noi si saranno soffermati a osservare una lunga fila di formiche dirette verso una fonte di cibo o, in gruppo,  collaborare nel trasportare dei legnetti o del cibo. Le singole formiche, pur  non dotate di un’intelligenza adeguata, sono in grado di trovare la strada più breve dal formicaio al cibo. Sono questi  esempi di “comportamenti collettivi”  ed è naturale chiedersi  quali siano i meccanismi che spiegano tali fenomeni di sorprendente organizzazione collettiva.  La stigmergia è una modalità di comunicazione utilizzata nei sistemi decentralizzati attraverso il quale gli individui comunicano fra loro modificando l'ambiente circostante come nel caso delle formiche alla ricerca del cibo e si scambiano informazioni  indirettamente attraverso  il rilascio nell’ambiente di feromoni , sostanze biochimiche prodotte da ghiandole esocrine che hanno la funzione di attrarre altre formiche.

Si tratta di autentici  segnali chimici che hanno lo scopo di  tracciare un sentiero tra posizione del cibo e della  colonia per le altre formiche.

Le prime   sceglieranno il percorso in modo casuale e quando trovano la fonte del cibo le prime formiche che ritornano a ritroso al nido sono quelle che hanno percorso l’itinerario più breve e lo stesso itinerario è il primo ad essere marcato due volte (all’andata e al ritorno) attraverso i feromoni depositati sul terreno. In tal modo quando altre formiche incontrano il sentiero tracciato dai feromoni, smettono di muoversi a caso e   iniziano a percorrerlo anche loro. Pertanto l’intensità del segnale  dei feromoni tende a mantenersi più a lungo nei percorsi più brevi in quanto sono anche quelli più utilizzati dalle formiche.

Robotica degli sciami 

La Robotica degli sciami (Swarm Robotics) è un’area emergente della robotica che si occupa della realizzazione e del controllo di sistemi robotici che seguono i principi della “swarm intelligence” cercando di simulare un “comportamento intelligente”  analogo a quello degli insetti sociali.

Si tratta di una disciplina recente dove i primi studi risalgono alla fine degli anni ‘ 90  che ha lo scopo di studiare la reale possibilità di progettare un numero grande di robot, semplici e relativamente piccoli che , seguendo una logica di interazione e cooperazione utilizzando solo la comunicazione locale , sono in grado alla fine  di esibire un comportamento collettivo complesso, in modo da risolvere compiti talvolta difficili e  che sono comunque al di fuori delle proprie capacità individuali.

Le ricerche

Uno studioso italiano che tra i primi si è occupato degli swarm robotics è Marco Dorigo un Ingegnere informatico, ricercatore presso l’Université Libre di Bruxelles, dove è anche condirettore di IRIDIA, il laboratorio di intelligenza artificiale e Direttore della ricerca per il Belgian Funds for Scientific Research (FNRS).

In questo ambito di ricerca ha coordinato i progetti europei  : Swarm-bots e Swarmanoid.

Nel progetto Swarm-bots i robot sono autonomi e chiamati s-bot (sciami di robot), costruiti mediante l'utilizzo di una componentistica poco costosa, in grado di auto-organizzarsi e auto-assemblarsi per adattarsi all'ambiente in cui si trovano. Sono in  grado di muoversi  sul terreno e   possono attaccarsi l'uno all'altro utilizzando  una pinza. Si ottiene  un risultato importante in quanto in questo modo gli s-bot possono aggregarsi in un robot che risulta essere strutturalmente più adatto e in grado di eseguire compiti che non rientrano nelle capacità dei singoli s-bot.

Questi robot possono essere utilizzati secondo i principi della swarm robotics in diversi contesti: dalle operazioni di salvataggio e ricerca alle missioni nello Spazio, per ottimizzare le catene di montaggio, per  le reti di informazione e di distribuzione elettrica.

Un altro progetto di ricerca è “SAGA: Swarm Robotics for Agricultural Applications 2016-2018” coordinato dall’Istituto di scienze e tecnologie dell’informazione del Consiglio nazionale delle ricerche (Istc-Cnr) e finanziato dal programma EU ECHORD ++. Il coordinatore è Vito Trianni, ricercatore presso l’Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione del CNR , pioniere nell’ambito della  Evolutionary Swarm Robotics, che propone l’utilizzo di algoritmi genetici per la sintesi di comportamenti collettivi per sistemi multi-robot.

In questo progetto vediamo come  sciami di droni sono programmati per osservare un campo coltivato e rilevare con precisione, attraverso algoritmi di visione artificiale, la presenza di piante infestanti che sono a loro volta competitrici della specie coltivata a reddito soprattutto in fatto di acqua e nutrienti dispersi nella soluzione circolante del terreno agrario. Traendo ispirazione da comportamenti simili in natura, come avviene con gli sciami di api per identificare le zone dove il polline è più abbondante, i droni saranno in grado di scambiarsi informazioni tra loro per  meglio potersi aggregare ed individuare dell’appezzamento di terreno coltivato le zone che hanno una maggiore presenza di specie infestanti. Successivamente al monitoraggio con queste tecnologie si passa all’eliminazione delle specie infestanti che in tal caso richiede interventi più contenuti e solo per le aree più critiche  con un conseguente risparmio di risorse e aumento della produzione. Trianni spiega  che "  sarà possibile agire in maniera del tutto automatica direttamente sulle singole piante: ad esempio, incorporando sul drone dei micro-spray che libereranno la pianta dagli elementi infestanti".

Nel settore dell’agricoltura in diverse parti del  nostro pianeta le nuove tecnologie robotiche  che utilizzano sciami di robot rappresentano una nuova frontiera di sperimentazione:  la FAO ed il Governo delle Filippine  hanno iniziato ad utilizzare sciami di droni aerei per localizzare le zone agricole che potrebbero essere più esposte al rischio di disastri ambientali in conseguenza dei  di cambiamenti climatici.

L'Istituto di bio-robotica della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa ha collaborato al progetto internazionale CoCoRo - Collective Cognitive Robots.

Cesare Stefanini è ricercatore presso l'Istituto di bio-robotica ed è responsabile del progetto.

L’ obiettivo  è la realizzazione di sciami di robot subacquei che funzionano come banchi di pesci, scambiandosi informazioni per monitorare l’ambiente, esplorare e raccogliere risorse in habitat subacquei che sappiamo essere per sua natura complessi e mutevoli. Lo sciame del progetto COCORO,  che si basa su un sistema di algoritmi in grado di sviluppare un processo cognitivo di sciame, non solo assomiglia a un banco di pesci, ma si comporta anche come tale.

I robot realizzati dall’Università di Pisa sono lunghi circa 25 centimetri e per queste piccole dimensioni  le tecnologie di stampa 3D offrono attualmente la possibilità di realizzare   rapidamente i prototipi. Sono dotati di una locomozione 3D e alimentati da batterie al loro interno. Come sistemi robotici sono  dotati di sensori ambientali in grado di rilevare alcuni parametri fondamentali dell’acqua come la temperatura, la pressione, la conducibilità e l’acidità e la presenza di luci.

Robot autonomi che interagiscono gli uni con gli altri ed emettono e ricevono suoni e segnali luminosi per riconoscersi e per scambiarsi i diversi tipi di informazioni, un sistema cognitivo che, in definitiva,  conosce le caratteristiche fondamentali del proprio ambiente in cui opera. Un semplice esempio: attraverso i  sensori di pressione  sono in grado di  verificare la differenza di quota del loro percorso e, attraverso la registrazione  di questi dati, è possibile acquisire un'attenta scansione del fondale.

Venus Swarm ed è uno sciame di robot che imitano il comportamento dei pesci per il controllo dei fondali. Una tecnologia messa a punto da ENEA e Università di Roma Tor Vergata impiegata nella sorveglianza del MOSE, il sistema di paratie per difendere la Laguna veneta dall’alta marea. In particolare servirà a monitorare l’infrastruttura per evitare infiltrazioni di acqua, ma anche eventuali sabotaggi e attacchi terroristici. Ma non solo. Gli esperti spiegano che la flotta di pesci ipertecnologici bio-inspired potrebbe essere utilizzata anche per la salvaguardia di fauna e flora sottomarine, per il controllo dell’inquinamento e per il rilevamento di reperti archeologici sui fondali (Fonte Enea).

Difficile fare oggi delle previsioni sugli sviluppi  in futuro della robotica dello sciame e dei suoi concreti campi di applicazione. Ma anche in questo caso i ricercatori robotici hanno tratto ispirazione della natura che, giova ricordarlo, dispone di sistemi biologici che grazie all’evoluzione si sono perfezionati dimostrando di essere i migliori risolutori dei problemi.

 

 

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