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Robot più autonomi attraverso un processo evolutivo digitale

Le macchine fanno parte della realtà dell'uomo sin dall'antichità e l'evoluzione/rivoluzione resa possibile dall'ubiquità delle tecnologie ci consentirà di entrare in un'epoca in cui macchine e sistemi intelligenti potranno essere installati ovunque, partner che ci aiuteranno a fare molto di più di quanto possiamo fare da soli.

"La tecnologia robotica diventerà dominante nel prossimo decennio. Influenzerà ogni aspetto, in ambito lavorativo e in ambito domestico. La robotica ha le potenzialità per trasformare la vita e le pratiche di lavoro, aumentare l'efficienza e i livelli di sicurezza, assicurare livelli di servizio più elevati e creare lavoro. Il suo impatto crescerà nel tempo, così come l'interazione tra robot e persone", Strategia dell'UE in materia di robotica.

Nonostante questi progressi la progettazione di robot adatti a lavorare in ambienti sconosciuti o inospitali per l’uomo rappresenta ancora una sfida importante per gli scienziati. 

Nel cosmo, che forma e dimensioni dovrebbe assumere il robot ideale? Dovrebbe gattonare o camminare? Di quali strumenti avrà bisogno per manipolare il suo ambiente e come sopravviverà a condizioni estreme di pressione, temperatura e corrosione chimica?”, chiede Emma Art, ingegnere alla Napier University di Edimburgo, su The Conversation.

Una sfida progettuale che dovrà essere affrontata dai ricercatori robotici e che la natura ha già risolto attraverso i meccanismi biologici dell'evoluzione darwiniana che ha prodotto milioni di specie perfettamente adattate al loro ambiente.

Quando due individui si riproducono, la selezione naturale manterrà i geni più adatti e li trasmetterà alla generazione successiva.

Ricerche concentrate sempre più sulla convergenza tra biologi, ingegneri e cognitivisti e la robotica “classica” diventa sempre più Biorobotica e Robotica avanzata. L’obiettivo è quello di realizzare forme di vita artificiali dai comportamenti intelligenti in grado di svilupparsi e adattarsi in modo autonomo all’ambiente in cui si trovano.

I ricercatori robotici sostengono che la sola progettazione a livello ingegneristico non può portare in modo soddisfacente alla soluzione di problemi complessi.

I robot autonomi interagiscono con un ambiente esterno ed è estremamente difficile modellare questa interazione (Parisi, Cecconi e Nolfi, 1990; Gaglio, Esposito e Nolfi, 1994).

Pensare a robot in grado di riprodursi ed evolversi ha una storia sorprendentemente lunga! I primi barlumi dell'idea dell'autoriproduzione meccanica si possono vedere alla fine del 1600, quando le persone discutevano sul punto di vista di Cartesio sugli animali come macchine. Le cose si sono davvero sviluppate dopo la rivoluzione industriale britannica e la pubblicazione di On The Origin of Species di Darwin. Diversi scrittori già negli anni 1860-1870 hanno scritto a lungo su ciò che l'autoriproduzione e l'evoluzione delle macchine potrebbero significare per l'umanità, tra cui Samuel Butler e George Eliot.

Alan Turing già negli anni ‘50 sosteneva: «sarebbe troppo difficile per un essere umano progettare macchine predisposte all’apprendimento e capaci di adattamento, ma questo risultato è invece ottenibile usando un processo evolutivo che includa mutazioni e riproduzioni selettive».

La Robotica evolutiva

La Robotica evolutiva (Evolutionary Robotics) è un’area di ricerca emergente appartenente al più ampio settore della robotica autonoma, nasce alla fine degli anni ’80 e trae ispirazione dai meccanismi insiti nell’evoluzione biologica con l’obiettivo principale di far evolvere i robot così come Darwin ci ha spiegato l’evoluzione dei sistemi biologici. 

Un’interessante prospettiva metodologica che vede sempre più vicini sistemi naturali e sistemi artificiali. La Robotica evolutiva si basa infatti sulle stesse leggi che governano l’evoluzione darwiniana: riproduzione, mutazione e selezione.

Sebbene l'evoluzione biologica richieda milioni di anni, l'evoluzione artificiale – modellare i processi evolutivi all'interno di un computer – può avvenire in ore o addirittura minuti. 

Un ambiente in cui i sistemi autonomi (robot) non sono progettati dall'uomo, ma sono creati attraverso una serie di passaggi che seguono processi evolutivi.

Occorre comunque tener conto che l’attuale evoluzione artificiale richiede ancora una grande quantità di supervisione umana, uno stretto ciclo di feedback tra robot e uomo per sviluppare in modo convincente metodi per produrre robot che dimostrino autonomia, si muovano e funzionino senza problemi in ambienti difficili e in grado di auto-riproduzione robusta. 

L'evoluzione digitale sarà probabilmente un processo collaborativo tra uomo e macchina

Un team di ricercatori del Regno Unito e dei Paesi Bassi, Università di Edimburgo, Napier Università dell'Inghilterra occidentale, Università di York Vrije, Universiteit Amsterdam, ha recentemente messo in atto una tecnologia completamente automatizzata per consentire ai robot fisici di riprodursi ripetutamente, evolvendo il loro codice genetico artificiale nel tempo per adattarsi meglio al loro ambiente.

Una "strategia di progettazione" dirompente in cui i robot vengono creati, si riproducono ed evolvono in tempo e spazio reale per una nuova generazione di sistemi autonomi.

Probabilmente questo percorso equivale a un'evoluzione artificiale e i robot figli vengono creati mescolando il "DNA" digitale di due robot genitori su un computer.

Questi robot "nasceranno" attraverso l'uso della produzione 3D, con nuovi materiali e un'architettura evolutiva hardware-software ibrida.

Il nuovo design viene prima inviato a una stampante 3D che realizza il corpo del robot, successivamente un braccio robotico collega un "cervello" caricato con software di controllo ereditato dai genitori, insieme a eventuali nuovi componenti, come sensori, ruote o giunti, selezionati da questo processo “evolutivo”. 

Viene inoltre creata una replica digitale di ogni nuovo robot in una simulazione al computer. Ciò consente un nuovo tipo di evoluzione: le nuove generazioni possono essere prodotte dall'unione dei tratti di maggior successo di una "madre" virtuale e di un "padre" fisico. I nuovi robot ereditano quindi tratti che rappresentano il meglio di entrambi i tipi di evoluzione.

L'idea di sfruttare l'evoluzione per progettare robot è particolarmente stimolante sul piano pratico soprattutto nei casi in cui gli esseri umani hanno poca conoscenza dell'ambiente in cui il robot dovrebbe operare: miniere sottomarine, bonifica di rifiuti all'interno di un reattore nucleare o utilizzo di nano robot per fornire farmaci all'interno del corpo umano.

A differenza dell'evoluzione naturale che è guidata semplicemente dagli obiettivi di "sopravvivenza e riproduzione" l'evoluzione artificiale può in tal modo essere guidata da obiettivi operativi specifici. Una volta che questo processo evolutivo è stato codificato attraverso la tecnologia sopra descritta, un sistema informatico in grado di istruire una stampante 3D realizza modelli migliori di robot più efficienti e adattivi.

Guardando al futuro la visione a lungo termine è quella di sviluppare una tecnologia che consenta l'evoluzione di interi ecosistemi robotici autonomi che vivono e lavorano per lunghi periodi in ambienti stimolanti e dinamici senza la necessità di una supervisione umana diretta. Ciò significa che sono necessari sistemi autonomi radicalmente nuovi, in cui i robot sono concepiti e nati, piuttosto che progettati e realizzati” sostiene Emma Hart.

La creatività dei metodi evolutivi consentirà presumibilmente la realizzazione di tipologie nuove di robot, superando i vincoli che l'ingegneria, la fisica e la scienza dei materiali impongono agli attuali processi di progettazione.

 

Fonte: Emma Hart, Robots may soon be able to reproduce - will this change how we think about evolution?

 

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