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Evoluzione della Robotica: verso un Futuro Autonomo e Interconnesso

di Filippo Rizzante e Paolo Capitelli

 

Introduzione

Nel tempo ci siamo abituati a pensare ai robot come a sistemi automatici in grado di svolgere compiti complessi nella produzione di beni. Le linee di montaggio dell’industria manufatturiera sono sicuramente tra le cose che nell’immaginario collettivo meglio rappresentano la robotizzazione industriale. A molti è sicuramente capitato di vedere qualche video dei magazzini robotizzati dove operano degli AGV (Autonomous Guided Vehicles).

Tuttavia, da qualche anno un nuovo tipo di robot sta progressivamente prendendo piede in vari settori industriali e non solo. Sono i così detti “autonomous service robots”, cioè robot in grado di muoversi autonomamente anche in ambienti complessi che non intervengono direttamente nei processi produttivi, ma forniscono servizi di supporto in attività di controllo, di monitoraggio ed in alcuni casi anche di intervento remoto.

Hanno varie forme e varie capacità (skill). Esistono robot che si muovono attraverso ruote o cingoli (rover), altri che possono volare (droni) o muoversi in immersione, altri sono dei quadrupedi in grado di muoversi in ambienti complessi (scale, macerie, percorsi accidentati) ed ultimamente molte aziende tecnologiche stanno facendo investimenti rilevanti in robot umanoidi (con sembianze umane) in grado cioè di muoversi, operare ed utilizzare strumenti pensati per l’uomo.

Tutti sono dotati di capacità di percepire il mondo circostante e possono essere equipaggiati con i sensori più disparati. Inoltre, questi robot hanno capacità computazionale, sono perciò in grado di eseguire algoritmi e di sfruttare le potenzialità offerte dalle più recenti evoluzioni della AI e della GenAI. Hanno inoltre la capacità di collegarsi alla rete in diverse modalità per richiedere l’esecuzione di algoritmi e di servizi di AI sia sull’ EDGE (computer che si trova vicino al luogo in cui il robot opera) sia nel cloud.

La incredibile evoluzione della AI che abbiamo imparato a conoscere, le capacità sempre crescenti di questi robot di percepire il mondo circostante, di connettersi in rete e di dialogare con altri robot in tempo reale, apre scenari che sembrano futuristici ma che in realtà sono già implementati realmente oggi.  

In questo articolo presentiamo alcune esperienze significative in cui i service robot sono stati utilizzati per aiutare l’uomo nell’esecuzione di operazioni complesse, ripetitive e pericolose. Daremo poi uno sguardo a come le tecnologie ed in particolare la GenAI stanno fornendo al mondo dei service robot una ulteriore spinta evolutiva e concluderemo parlando di robot umanoidi: perché sono importanti e perché stanno avendo una accelerazione nel proprio sviluppo.

Monitoraggio autonomo di impianti industriali

Il progetto di automazione industriale che coinvolge l'uso del robot quadrupede SPOT rappresenta un passo significativo verso l'innovazione nel campo della sicurezza e dell'ispezione degli impianti industriali.

L'obiettivo primario di questo progetto è stato quello di trasformare le routine di controllo di un impianto industriale in processi più efficienti, sicuri e precisi, grazie all'impiego di tecnologie all'avanguardia. L'elemento centrale di questa trasformazione è la capacità di SPOT (robot quadrupede di Boston Dynamics) di eseguire la mappatura tridimensionale degli ambienti, sfruttando sistemi LiDAR e tecniche stereoscopiche. Questa tecnologia permette di creare un modello digitale dell'impianto da monitorare, che serve non solo per la navigazione autonoma del robot stesso ma anche per l'identificazione di eventuali modifiche strutturali, ostacoli o pericoli.

Un altro aspetto fondamentale è il monitoraggio termico. SPOT è dotato di sensori in grado di rilevare la temperatura in aree critiche dell'impianto, consentendo un'analisi dettagliata delle variazioni termiche che potrebbero indicare malfunzionamenti o pericoli potenziali.

Inoltre, il robot è stato equipaggiato con algoritmi in grado di identificare sgocciolamenti e fughe di gas. Accedendo a zone ad alta pericolosità, SPOT può ispezionare spazi che altrimenti richiederebbero l'intervento di personale specializzato, riducendo così esponenzialmente i rischi per la salute ed i tempi necessari alla verifica.

Per quanto riguarda la sicurezza, SPOT può rilevare ostruzioni e ostacoli, specialmente in aree critiche come le uscite di emergenza. La sua capacità di effettuare osservazioni variegate supera quella umana, fornendo un sistema di segnalazione immediato di eventuali anomalie.

L'uso di SPOT in ambienti potenzialmente contaminati è un altro enorme vantaggio. Il robot può operare senza rischi per la salute, un'alternativa sicura rispetto all'esposizione del personale umano. Il cliente ha riconosciuto il valore di tecnologie come SPOT per migliorare la sicurezza e minimizzare i rischi per i lavoratori.

REPLY ha implementato questa soluzione integrando diverse tecnologie: Spot CAM per l'acquisizione di immagini, Spot CORE per le funzionalità di elaborazione a bordo e modelli (on EDGE) di reti neurali per l'analisi e l'elaborazione dei dati raccolti durante le missioni autonome.

La ricostruzione 3D viene effettuata combinando i dati LiDAR con quelli delle telecamere stereoscopiche, mentre per il rilevamento di gas, liquidi e vapore si utilizza una combinazione di Computer Vision, telecamere termiche e modelli multimodali di generative AI. Questa sinergia di tecnologie non solo ottimizza le operazioni di ispezione ma apre anche la strada a nuove modalità di monitoraggio e manutenzione degli impianti industriali.

Ispezione autonoma di infrastrutture civili

L'integrazione della robotica avanzata nel monitoraggio delle infrastrutture civili rappresenta un salto qualitativo nell'ambito della manutenzione e della sicurezza. L'utilizzo di SPOT per l'ispezione autonoma di infrastrutture civili è un esempio emblematico di questa evoluzione. Il progetto in questione, rivolto a un cliente che gestisce oltre un centinaio di ponti, introduce un'innovazione significativa nel settore delle infrastrutture critiche.

Grazie alla tecnologia robotica, è possibile effettuare ispezioni regolari e dettagliate in maniera più efficiente. Il personale esperto, finora impegnato in lunghi e minuziosi controlli, può ora avvalersi del supporto di un robot quadrupede per effettuare monitoraggi continui e autonomi. Questa sinergia tra intervento umano e automazione risulta particolarmente preziosa in un contesto dove la disponibilità di personale qualificato è un fattore limitante.

Il cuore del progetto è un'interfaccia unificata che consente la pianificazione delle ispezioni e la visualizzazione dei dati attraverso un Digital Twin, ovvero un gemello digitale del ponte. Il modello 3D permette agli utenti di selezionare punti specifici da monitorare. In risposta, il robot si attiva automaticamente per raccogliere dati in loco, che vengono poi integrati nel Digital Twin e resi accessibili all'utente.

Un aspetto rivoluzionario del sistema è l'utilizzo di una app di Mixed Reality (MR). Con questa app, gli operatori (indossando un visore) possono visualizzare tutti i dati raccolti in campo dal robot, inserendoli direttamente nel contesto spaziale del modello 3D e navigando all’interno della rappresentazione 3D del ponte come se fossero effettivamente in campo. Questa soluzione non solo rende immediata l'interpretazione dei dati, ma consente anche un controllo più frequente e accurato delle condizioni dell'infrastruttura.

La sfida principale è stata quella di garantire una navigazione sicura e precisa del robot in un ambiente così complesso. Questo è stato ottenuto con test meticolosi e la creazione di routine autonome specializzate.

L’utilizzo del framework di cloud robotics di REPLY ha permesso di ottimizzare lo sviluppo, fornendo gli strumenti necessari per la gestione e l'acquisizione dei dati.

I risultati sono notevoli: il sistema offre un'osservazione più ravvicinata e coerente dei danni nel tempo, migliorando significativamente la capacità del cliente di effettuare il monitoraggio dei propri asset. L'aggiunta del modello 3D, che riflette fedelmente il ponte in esame, consente di pianificare ed eseguire ispezioni con la frequenza richiesta, mentre l'applicazione MR dimostra le potenzialità interattive del sistema.

In conclusione, l'adozione di robot per le ispezioni autonome di infrastrutture civili è un esempio chiaro di come la robotica possa aggiungere valore al monitoraggio e alla manutenzione, garantendo sicurezza ed efficienza in settori critici come quello delle infrastrutture.

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Fine moduRobotica e archeologia: un passo avanti nella conservazione

Nel mondo dell'archeologia, la tecnologia ha sempre giocato un ruolo cruciale nel rilevare i segreti del passato. Oggi, l'uso combinato di robot (Quadrupedi e Droni) e dell’AI consentono di esplorare e documentare siti storici con precisione e sicurezza mai viste prima.

Il fulcro di questo progetto è l'integrazione di due avanzamenti tecnologici: il robot quadrupede SPOT e un drone dotato di un sensore LiDAR. Questa combinazione rappresenta una svolta, offrendo nuove prospettive nell'analisi e nella conservazione dei siti archeologici ma anche nel contrasto al depauperamento illegale degli stessi.

Un robot a quattro zampe che può navigare in terreni accidentati con agilità sorprendente e la sua capacità di muoversi autonomamente in aree difficilmente accessibili, lo rende lo strumento ideale per esplorare siti archeologici senza rischiare danni ai preziosi reperti o mettere in pericolo il personale. Il robot, che in questo progetto è stato equipaggiato con un sensore LiDAR necessario per effettuare scansioni 3D di cunicoli ed altri luoghi difficilmente raggiungibili in sicurezza dall’uomo, può altresì essere equipaggiato con altri sensori quali camere termiche o rilevatori di gas tossici.

L'aggiunta del drone equipaggiato con sensore LiDAR consente l’osservazione combinata del sito sia attraverso una scala aerea di ampia dimensione sia attraverso un dettaglio su zone specifiche del sito o addirittura nascoste alla vista (Es. cunicoli). Il LiDAR, grazie alla sua precisione nel rilevare e mappare strutture tridimensionali, permette di ottenere dettagliati modelli 3D dei siti esplorati. Questo non solo agevola l'analisi dettagliata degli stessi ma apre anche la strada a nuove scoperte, rendendo possibile identificare caratteristiche e strutture che a occhio nudo potrebbero non essere evidenti.

Le aree archeologiche, spesso fragili e difficilmente accessibili, richiedono un approccio delicato e rispettoso. L'uso di queste tecnologie minimizza l'impatto fisico sul sito, preservando l'integrità dei reperti e offrendo al contempo una visione completa e dettagliata dell'area esaminata, garantendo altresì la sicurezza di coloro che operano sul sito stesso.

In conclusione, l'integrazione di robotica avanzata e sensoristica all'avanguardia rappresenta un'evoluzione significativa nel campo dell'archeologia e oltre. Questo progetto facilita la gestione della conservazione dei tesori del nostro passato.

Un cambio di paradigma nella robotica

Malgrado gli innumerevoli progetti di cui abbiamo visto alcuni esempi nei paragrafi precedenti dove la robotica e l’intelligenza artificiale costituiscono le basi per la creazione di soluzioni che aiutino l’uomo nello svolgimento di attività complesse e pericolose, la ricerca e lo sviluppo delle tecnologie in questo ambito non si ferma.

L'intelligenza artificiale e la robotica hanno fatto passi da gigante negli ultimi anni, tuttavia ancora oggi, la maggior parte delle applicazioni robotiche si basa sul controllo di agenti attraverso l'uso di “telecomandi” gestiti da operatori umani. Questo significa che molte decisioni vengono ancora prese da esseri umani o che i robot eseguono missioni pre-registrate incapaci di cambiare il loro comportamento in tempo reale.

Oggi, la nuova frontiera della ricerca punta a sviluppare agenti robotici capaci di prendere decisioni in modo autonomo e di modificare gli obiettivi delle missioni dal vivo e in tempo reale.

L'obiettivo della ricerca e della sperimentazione che stiamo conducendo in REPLY è quello di nascondere la complessità della gestione dei modelli di AI necessari per fare eseguire i task e le missioni agli agenti robotici e utilizzare semplicemente il linguaggio naturale per orchestrare il tutto.

I principali ostacoli da superare includono lo sviluppo di un nuovo approccio basato su architetture multi-agenti, l’implementazione di ciò che viene chiamata “Embodie AI” (cioè una intelligenza artificiale incarnata nel robot stesso), fornire ai robot la capacità di percepire e comprendere l’ambiente circostante anche se lo stesso non è mai stato visto prima dal robot (non sarà così più necessario pre-registrare l’ambiente in cui il robot si dovrà muovere).

Reply ha sviluppato una soluzione per il controllo di agenti robotici attraverso il linguaggio naturale. Questa soluzione include la comprensione della richiesta da parte dell’operatore (formulata in linguaggio naturale) la trasformazione della richiesta in un elenco di compiti che vengono distribuiti correttamente da un punto di vista temporale e delle dipendenze e, a seconda del tipo di compito, l’assegnazione degli stessi agli agenti robotici più adeguati ad eseguire lo specifico task, per portare a termine la missione.

Queste soluzioni rendono più accessibile la robotica avanzata, riducendo la barriera tecnica richiesta oggi per fare funzionare questi robot ed offrendo nuovi livelli di interazione, automazione e flessibilità nelle operazioni. La promessa di questa tecnologia è vasta e potrebbe rivoluzionare il modo in cui interagiamo e utilizziamo i robot nel nostro quotidiano.

L'umanizzazione della robotica: il futuro dei robot umanoidi

L'avanzamento tecnologico sta aprendo nuove frontiere nell'ambito della robotica, soprattutto per quanto riguarda i robot umanoidi, che fino a poco tempo fa potevano sembrare appartenere esclusivamente al mondo della fantascienza. Oggi, grazie agli investimenti di alcune delle più grandi aziende tecnologiche mondiali, l'arrivo di questi robot sul mercato è sempre più imminente.

Gli esseri umani tendono naturalmente a creare legami emotivi con le macchine, specialmente quando queste assumono tratti umani. I robot umanoidi fisici, con capacità emotive e intellettive avanzate, sono destinati a rafforzare questo legame, trovando un posto nel nostro futuro per vari motivi.

Innanzitutto, alcuni robot umanoidi saranno "task oriented", ossia progettati per eseguire compiti fisici simili a quelli umani. Questo non solo facilita l'interazione sociale, ma permette anche ai robot di utilizzare strumenti e infrastrutture già esistenti, senza necessità di adattamenti. La forma umana offre quindi un vantaggio pratico notevole.

L'ampia disponibilità di dati, immagini e video permette di addestrare i robot umanoidi per svolgere una vasta gamma di compiti che tipicamente rientrano nelle capacità umane. Questo non è replicabile in altre forme di robotica, rendendo i robot umanoidi particolarmente versatili.

Il progresso non si ferma alla semplice riproduzione fisica dell'uomo. Robot come Atlas di Boston Dynamics, che ora può afferrare oggetti, o il progetto Optimus di TESLA, che utilizza dati sintetici per l'addestramento degli algoritmi, mostrano come la fisicità sia abbinata a sofisticate capacità di apprendimento e interazione. Anche Amazon ha annunciato un robot umanoide per ottimizzare le operazioni nei propri magazzini, sottolineando l'applicabilità commerciale di questa tecnologia.

Al di là dell'aspetto pratico, un'altra categoria di robot umanoidi è progettata esclusivamente per l'interazione sociale. Questi robot, spesso realizzati solo con busto, faccia animata e braccia, sono una versione fisica dei nostri assistenti digitali e trovano applicazione in contesti reali come il servizio clienti, grazie al notevole progresso nel riconoscimento vocale, nei modelli linguistici e nell' “affective computing”.

In sintesi, l'accelerazione nello sviluppo dei robot umanoidi è una diretta conseguenza dei progressi nell'intelligenza artificiale e nei Large Language Models (LLM), e sta portando queste macchine sempre più vicine alla realtà quotidiana delle persone. Non è fantascienza, ma un cambiamento in atto che vedrà presto i robot umanoidi diventare compagni di vita, lavoratori e assistenti personali in molti ambiti della nostra società.

Filippo Rizzante e Paolo Capitelli Inizio modulo