Per fare un robot ci vuole un seme
Alex Saragosa , di ALEX SARAGOSAAll'Istituto italiano di tecnologia di Pontedera le piante (ma anche gli animali) ispirano nuove creature con intelligenza artificiale e corpo flessibile. Ve le presentiamo
Pontedera (Pisa). "Il futuro dei robot? Eccolo qua". Barbara Mazzolai, direttrice del Centro di MicroBioRobotica dell'Istituto italiano di tecnologia, attivo da dieci anni a Pontedera, mostra un seme di avena, ancora con le foglioline intorno. Mazzolai è la "madre" della biorobotica italiana, la disciplina che progetta robot a imitazione degli esseri viventi, sfruttando alcune loro caratteristiche. Per esempio, il polpo in silicone Octopus, ideato da Cecilia Laschi del Sant'Anna di Pisa, è soffice, e quindi meno pericoloso nell'interazione con l'uomo, il Robofish inventato da Robert Katzschmann al Mit si muove con disinvoltura in acqua e gli insetti robotici di Robert Full, della U.C. Berkeley, riescono a intrufolarsi ovunque, per esempio nelle macerie. Eci sono anche i robot che possono sostituire gli originali: l'ape elettromeccanica di Robert Wood, di Harvard, se in uno sgradevole futuro venissero a mancare le api vere, potrebbe…
Pontedera (Pisa). "Il futuro dei robot? Eccolo qua". Barbara Mazzolai, direttrice del Centro di MicroBioRobotica dell'Istituto italiano di tecnologia, attivo da dieci anni a Pontedera, mostra un seme di avena, ancora con le foglioline intorno. Mazzolai è la "madre" della biorobotica italiana, la disciplina che progetta robot a imitazione degli esseri viventi, sfruttando alcune loro caratteristiche. Per esempio, il polpo in silicone Octopus, ideato da Cecilia Laschi del Sant'Anna di Pisa, è soffice, e quindi meno pericoloso nell'interazione con l'uomo, il Robofish inventato da Robert Katzschmann al Mit si muove con disinvoltura in acqua e gli insetti robotici di Robert Full, della U.C. Berkeley, riescono a intrufolarsi ovunque, per esempio nelle macerie. Eci sono anche i robot che possono sostituire gli originali: l'ape elettromeccanica di Robert Wood, di Harvard, se in uno sgradevole futuro venissero a mancare le api vere, potrebbe impollinare i fiori.
"Ma i biorobot servono anche a capire come funzionino gli stessi esseri viventi: per esempio la tartaruga robotica creata da John Long, del Vassar College, ha chiarito perché i quadrupedi acquatici usino per nuotare solo due zampe alla volta: è energeticamente più efficiente. Prima di imitare la vita in una macchina, però, è indispensabile studiarla bene, perché in miliardi di anni l'evoluzione ha escogitato trucchi sorprendenti per fare tanto con il minimo di energia e materiali". Per chiarire il punto Mazzolai bagna il seme di avena, e dopo pochi secondi i due lunghi filamenti che partono da questo cominciano misteriosamente a ruotare. "Questo movimento permette al seme di "piantarsi" da solo nel terreno, senza che ci siano muscoli in azione, energia da spendere e sistemi nervosi a decidere: è un esempio perfetto di come l'intelligenza sia disseminata nel corpo degli esseri viventi, anche quelli senza un cervello".
Questa idea, che Mazzolai spiega nel dettaglio nel libro La natura geniale (Longanesi), nasce probabilmente dal fatto che la ricercatrice livornese, pur avendo un dottorato in microingegneria, è prima di tutto una biologa. Segue quindi un approccio diverso da quello di molti suoi colleghi, che cercano di imitare superficialmente gli esseri viventi a colpi di piastre di alluminio, motori elettrici e chip elettronici, senza chiedere un parere a chi gli esseri viventi studia. "Prendiamo i robot umanoidi: prima di farli bisognerebbe capire bene come funzioni il nostro corpo, notando, per esempio, che lo snodo tronco-bacino ci permette di restare verticali e in equilibrio, quando camminiamo su terreni irregolari. Eppure, fino a tempi recenti, i robot bipedi, fra cui il famoso Asimo, mancavano di questo snodo, con il risultato che se dovevano affrontare anche solo un modesto scalino, finivano a terra".
Questo sforzo di capire la natura per poi imitarla si è visto subito nel primo progetto di Mazzolai: il braccio del polpo. "Il polpo è l'invertebrato dal sistema nervoso più complesso: 500 milioni di neuroni. La maggior parte di questi neuroni è distribuita nei bracci, così da dar loro una sorta di intelligenza locale, evitando che l'animale debba impiegare troppa capacità cognitiva per gestire otto arti in grado di assumere centinaia di possibili posizioni". In altre parole, entro certi limiti, i bracci eseguono da soli i compiti che assegna loro il cervello. "Seguendo questa traccia, abbiamo ricostruito un braccio di polpo in silicone, che si avvolge da solo intorno agli oggetti, afferrandoli con le ventose, e ora una società di perforazione ci finanzia la creazione di uno strumento per il recupero di quello che cade in fondo ai pozzi più angusti".
L'idea del braccio robotico, per quanto originale, era però ancora "normale". Il passo successivo della carriera di Mazzolai è stato invece decisamente straordinario. "Quando cominciai a presentare ai congressi l'idea di creare piante robot, fui accolta da silenzi imbarazzati: un robot, mi dicevano, si deve muovere. Ma io, da biologa, so che le piante si muovono, eccome, solo che in genere lo fanno crescendo, e questo permette loro di avere performance straordinarie. Provate per esempio a immergere la mano nel terreno, per quanto spingiate, non riuscirete a scendere più di qualche centimetro. Le radici invece penetrano per metri e metri, allungandosi con l'aggiunta di nuove cellule alla punta, aggirando così l'attrito. E non si muovono casualmente: evitano gli ostacoli e si dirigono verso fonti di acque a di cibo". Seguendo questo modello dal 2015 Mazzolai crea "plantoidi", radici robot che si allungano nel terreno grazie all'aggiunta di un filamento plastico avvolto dietro la loro punta, che fa "crescere" la roboradice nel terreno a cento volte la velocità di quelle naturali. Il plantoide evita già gli ostacoli e potrà essere dotato di sensori per umidità e sostanze chimiche, per analizzare il terreno. "Il mio interesse principale era imitare la natura, poi però c'è chi ha trovato un impiego pratico per i nostri plantoidi: con la Regione Toscana sta per partire un progetto, per utilizzarli in vigna, come controllo continuo e in profondità del terreno".
Ora la ricercatrice sta studiando il modo in cui i rampicanti individuano e poi scalano muri e altre piante senza usare occhi, muscoli o cervello, per dotare di questa capacità biorobot futuri. Sta anche sperimentando un dispositivo che estrae, tramite una spatola in polimero conduttivo, l'elettricità statica che si accumula sulle foglie, per produrre energia da queste, quando sono agitate dal vento. "Certo, le mie ricerche non portano a risultati spettacolari come i robot bipedi e quadrupedi della Boston Dynamic, i cui video, dove fanno parkour o corrono nei boschi, sono visti in rete milioni di volte. Però quei robot usano ancora troppa energia, chilowatt, contro i 100-200 watt del corpo umano, il che li rende ben poco autonomi. Una delle ragioni è che il loro computer deve continuamente riposizionare gli arti, per mantenerli in piedi, mentre negli animali ogni arto ha una sua intelligenza e si adatta da solo al terreno. Inoltre tendini e articolazioni animali sono elastici e immagazzinano energia, così che parte del movimento avviene "gratis". Perché non imitarli?".
E per quanto riguarda l'intelligenza generale, quella che serve a muoversi nel mondo reale? "Beh, qui siamo ancora più indietro" dice Mazzolai: "quasi tutti i robot continuano a essere telecomandati da un operatore, che in genere nei video non si vede, oppure programmati per fare poche azioni alla volta, e vanno in crisi se incontrano un imprevisto. Certo, adesso i sistemi ad apprendimento profondo, la cosiddetta intelligenza artificiale, potrebbero cambiare la situazione, visto che in pochi giorni sono in grado di far diventare un computer maestro di scacchi o di fare diagnosi mediche. Però operano in mondi virtuali retti da poche e chiare regole, mentre la realtà è molto più varia e imprevedibile. Credo che l'unica strada per dotare i robot di intelligenza generale sia quella di lasciar loro esplorare il mondo con la vista, il tatto e il corpo fisico, fino a determinare da soli le regole che lo fanno funzionare".
Insomma, anche qui, si torna alla natura, che dota i cuccioli di un cervello, ma non programma ogni comportamento possibile: sono loro a dover capire come agire nel mondo per sopravvivere. "È un po' l'approccio seguito dall'Istituto italiano di tecnologia con iCub, il robot bambino che apprende via via come fare nuove cose" conclude Mazzolai: "Di certo, nonostante prematuri allarmi su perdita del lavoro e rischi di ribellioni, ci vorranno molti anni prima che robot, o meglio ancora biorobot, si muovano in autonomia e sicurezza, per loro e per noi, nel nostro mondo".
Sul Venerdì del 15 marzo 2019
"Ma i biorobot servono anche a capire come funzionino gli stessi esseri viventi: per esempio la tartaruga robotica creata da John Long, del Vassar College, ha chiarito perché i quadrupedi acquatici usino per nuotare solo due zampe alla volta: è energeticamente più efficiente. Prima di imitare la vita in una macchina, però, è indispensabile studiarla bene, perché in miliardi di anni l'evoluzione ha escogitato trucchi sorprendenti per fare tanto con il minimo di energia e materiali". Per chiarire il punto Mazzolai bagna il seme di avena, e dopo pochi secondi i due lunghi filamenti che partono da questo cominciano misteriosamente a ruotare. "Questo movimento permette al seme di "piantarsi" da solo nel terreno, senza che ci siano muscoli in azione, energia da spendere e sistemi nervosi a decidere: è un esempio perfetto di come l'intelligenza sia disseminata nel corpo degli esseri viventi, anche quelli senza un cervello".
Questa idea, che Mazzolai spiega nel dettaglio nel libro La natura geniale (Longanesi), nasce probabilmente dal fatto che la ricercatrice livornese, pur avendo un dottorato in microingegneria, è prima di tutto una biologa. Segue quindi un approccio diverso da quello di molti suoi colleghi, che cercano di imitare superficialmente gli esseri viventi a colpi di piastre di alluminio, motori elettrici e chip elettronici, senza chiedere un parere a chi gli esseri viventi studia. "Prendiamo i robot umanoidi: prima di farli bisognerebbe capire bene come funzioni il nostro corpo, notando, per esempio, che lo snodo tronco-bacino ci permette di restare verticali e in equilibrio, quando camminiamo su terreni irregolari. Eppure, fino a tempi recenti, i robot bipedi, fra cui il famoso Asimo, mancavano di questo snodo, con il risultato che se dovevano affrontare anche solo un modesto scalino, finivano a terra".
Questo sforzo di capire la natura per poi imitarla si è visto subito nel primo progetto di Mazzolai: il braccio del polpo. "Il polpo è l'invertebrato dal sistema nervoso più complesso: 500 milioni di neuroni. La maggior parte di questi neuroni è distribuita nei bracci, così da dar loro una sorta di intelligenza locale, evitando che l'animale debba impiegare troppa capacità cognitiva per gestire otto arti in grado di assumere centinaia di possibili posizioni". In altre parole, entro certi limiti, i bracci eseguono da soli i compiti che assegna loro il cervello. "Seguendo questa traccia, abbiamo ricostruito un braccio di polpo in silicone, che si avvolge da solo intorno agli oggetti, afferrandoli con le ventose, e ora una società di perforazione ci finanzia la creazione di uno strumento per il recupero di quello che cade in fondo ai pozzi più angusti".
L'idea del braccio robotico, per quanto originale, era però ancora "normale". Il passo successivo della carriera di Mazzolai è stato invece decisamente straordinario. "Quando cominciai a presentare ai congressi l'idea di creare piante robot, fui accolta da silenzi imbarazzati: un robot, mi dicevano, si deve muovere. Ma io, da biologa, so che le piante si muovono, eccome, solo che in genere lo fanno crescendo, e questo permette loro di avere performance straordinarie. Provate per esempio a immergere la mano nel terreno, per quanto spingiate, non riuscirete a scendere più di qualche centimetro. Le radici invece penetrano per metri e metri, allungandosi con l'aggiunta di nuove cellule alla punta, aggirando così l'attrito. E non si muovono casualmente: evitano gli ostacoli e si dirigono verso fonti di acque a di cibo". Seguendo questo modello dal 2015 Mazzolai crea "plantoidi", radici robot che si allungano nel terreno grazie all'aggiunta di un filamento plastico avvolto dietro la loro punta, che fa "crescere" la roboradice nel terreno a cento volte la velocità di quelle naturali. Il plantoide evita già gli ostacoli e potrà essere dotato di sensori per umidità e sostanze chimiche, per analizzare il terreno. "Il mio interesse principale era imitare la natura, poi però c'è chi ha trovato un impiego pratico per i nostri plantoidi: con la Regione Toscana sta per partire un progetto, per utilizzarli in vigna, come controllo continuo e in profondità del terreno".
Ora la ricercatrice sta studiando il modo in cui i rampicanti individuano e poi scalano muri e altre piante senza usare occhi, muscoli o cervello, per dotare di questa capacità biorobot futuri. Sta anche sperimentando un dispositivo che estrae, tramite una spatola in polimero conduttivo, l'elettricità statica che si accumula sulle foglie, per produrre energia da queste, quando sono agitate dal vento. "Certo, le mie ricerche non portano a risultati spettacolari come i robot bipedi e quadrupedi della Boston Dynamic, i cui video, dove fanno parkour o corrono nei boschi, sono visti in rete milioni di volte. Però quei robot usano ancora troppa energia, chilowatt, contro i 100-200 watt del corpo umano, il che li rende ben poco autonomi. Una delle ragioni è che il loro computer deve continuamente riposizionare gli arti, per mantenerli in piedi, mentre negli animali ogni arto ha una sua intelligenza e si adatta da solo al terreno. Inoltre tendini e articolazioni animali sono elastici e immagazzinano energia, così che parte del movimento avviene "gratis". Perché non imitarli?".
E per quanto riguarda l'intelligenza generale, quella che serve a muoversi nel mondo reale? "Beh, qui siamo ancora più indietro" dice Mazzolai: "quasi tutti i robot continuano a essere telecomandati da un operatore, che in genere nei video non si vede, oppure programmati per fare poche azioni alla volta, e vanno in crisi se incontrano un imprevisto. Certo, adesso i sistemi ad apprendimento profondo, la cosiddetta intelligenza artificiale, potrebbero cambiare la situazione, visto che in pochi giorni sono in grado di far diventare un computer maestro di scacchi o di fare diagnosi mediche. Però operano in mondi virtuali retti da poche e chiare regole, mentre la realtà è molto più varia e imprevedibile. Credo che l'unica strada per dotare i robot di intelligenza generale sia quella di lasciar loro esplorare il mondo con la vista, il tatto e il corpo fisico, fino a determinare da soli le regole che lo fanno funzionare".
Insomma, anche qui, si torna alla natura, che dota i cuccioli di un cervello, ma non programma ogni comportamento possibile: sono loro a dover capire come agire nel mondo per sopravvivere. "È un po' l'approccio seguito dall'Istituto italiano di tecnologia con iCub, il robot bambino che apprende via via come fare nuove cose" conclude Mazzolai: "Di certo, nonostante prematuri allarmi su perdita del lavoro e rischi di ribellioni, ci vorranno molti anni prima che robot, o meglio ancora biorobot, si muovano in autonomia e sicurezza, per loro e per noi, nel nostro mondo".
Sul Venerdì del 15 marzo 2019