[18 Nov 2013 - IT] WALK-MAN: ecco com'è fatto e a cosa serve un robot umanoide

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Author: Valerio Porcu

Tom's Hardware Qualche settimana fa abbiamo ricevuto un comunicato stampa, che ci raccontava di un ambizioso progetto mirato a costruire un robot umanoide di nuova generazione. Come spesso accade abbiamo confezionato un articolo, (WALK-MAN, robot umanoidi con imprinting italiano), ma durante la stesura abbiamo collezionato più domande che risposte.

Insomma, si parlava di un robot grande più o meno quanto un uomo, con una forma simile, e capace di fare le stesse cose. Una macchina che potrebbe entrare in azione in casi di emergenza e fare quello che facciamo noi, comandato a distanza o con una propria intelligenza.

Eravamo molto curiosi di saperne di più, soprattutto dopo aver letto che il progetto è coordinato dall'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, e che vi partecipano diversi nostri connazionali. Parte del team si trova presso l'Università di Pisa, dove abbiamo rintracciato la Dott.sa Lucia Pallottino, ricercatrice e docente nel corso di Ingegneria Robotica e dell'automazione, oltre che naturalmente membro attivo del team che sta costruendo il WALK-MAN.

Il gruppo di ricerca di cui fa parte la Dott.sa Pallottino, coordinato dal Prof. Antonio Bicchi, lavora in particolare sulle mani, di cui si occupa praticamente solo l'ateneo pisano. Ma anche di tanti altri aspetti, perché "di fatto bisogna costruire un nuovo umanoide, e per farlo bisogna mettere in campo esperienze completamente diverse, che vanno dalla meccanica all'elettronica e al controllo, e chi più ne ha più ne metta. È un settore particolarmente multidisciplinare. Quello che forse non si apprezza è tutto quello che c'è dietro", ci ha confidato la scienziata. Le pagine che seguono sono il resoconto dell'incredibile conversazione che abbiamo avuto con lei. Tutti i virgolettati rappresentano parole pronunciate da Lucia Pallottino.

 

Fare un uomo di ferro, anche per vincere una gara

Il progetto WALK-MAN "nasce da collaborazioni passate con i vari centri in Europa. E anche per via del DARPA Challenge. Quest'agenzia ogni tanto finanzia progetti un po' insoliti, l'ultimo è il DARPA Robotic Challenge che consiste nel far entrare un umanoide, per esempio, in una centrale atomica, come Fukushima", un luogo dove è meglio che l'uomo non entri, ci dice subito Lucia Pallotino.

" Le gare del Darpa sono sempre molto ambiziose, ma poi di fatto in 5-7 anni si riesce a portarle a termine. Il contest è già partito, ed è piuttosto complicato: sono già state fatte le gare virtuali, quelle in cui si partecipa sviluppando solo software. A dicembre ci sarà la prima gara con robot tutti uguali (gli ATLAS di Boston Dynamics)". E poi "l'anno prossimo ci sarà l'ultimo round e parteciperà anche chi porta il proprio umanoide come noi".

Gli organizzatori del DARPA Challenge sono stati interessati al progetto WALK-MAN e ci hanno invitato a partecipare direttamente alla fase finale. " Ovviamente la Comunità Europea non ci paga per partecipare a un challenge organizzato da agenzie militari americane, ma facciamo anche quello. […] È molto stimolante, anche per i tempi stretti".

Quanto al tema finanziamento, il WALK-MAN è un progetto finanziato dalla Comunità Europea, cosa che tra l'altro traccia la prima differenza rilevante rispetto all'ATLAS (ne vedremo un'altra più avanti). È coordinato dall'Istituto Italiano di Tecnologia, che è principal investigator e interfaccia con l'Unione Europea; si tratta di un centro scientifico enorme, un punto di riferimento a livello mondiale dove non si fa didattica. Vi lavorano molte persone nei campi più svariati, quasi tutte con un contratto a termine legato al singolo progetto.

L'IIT gode di finanziamenti generosi e grazie a questo può attirare ricercatori di alto profilo proponendo compensi adeguati al livello scientifico dei ricercatori. L'obiettivo è però che presto possa diventare economicamente indipendente e diventare una stella polare nella ricerca a est dell'Atlantico. L'obiettivo è ambizioso ma realizzabile, così come quello che si prefigge il team che lavora al WALK-MAN.

 

Perché fare un umanoide?

Abbiamo chiesto alla Dott.sa Pallottino quali siano i vantaggi nel realizzare un robot dalle sembianze umane, rispetto a modelli che usano ruote, cingoli, o ancora quattro o più "zampe".

"Ci sono vari livelli di autonomia, e per noi il vero umanoide è quello più autonomo possibile. Deve avere a bordo tutta la sensoristica necessaria per fare queste cose, ad esempio il minimo richiesto sono le telecamere che consentono di riconoscere gli ambienti e capire se ci sono ostacoli, o degli scalini. Oppure, se c'è da prendere un oggetto, saperne riconoscere la tipologia, magari capire anche se è un oggetto pesante, leggero, fragile oppure no".  Così come noi, ci ricorda la dott.ssa Pallottino, quando guardiamo un oggetto ci facciamo già un'idea del suo peso, e se crediamo che sia leggero poi siamo in difficoltà se pesa più di quanto ci aspettiamo. Al WALK-MAN si vuole dare la stessa capacità di valutare ciò che vede, e si tratta di una cosa piuttosto difficile da realizzare.

"Per queste capacità c'è un nuovo termine, affordances, che indica proprio la capacità di capire come si usa un oggetto soltanto guardandolo. Cioè, se noi vediamo una maniglia capiamo subito che va ruotata, ed è questo che vogliamo trasferire all'umanoide".

Si può fare in due modi. Il primo è assegnare al robot una serie di movimenti prestabiliti, del tipo "se vedi una maniglia allora fai questa azione", mentre il secondo è dicendogli "prova ad afferrarlo e prova a muoverlo". Si chiede quindi al robot di capire cos'ha intorno e come deve usarlo basandosi sulla propria esperienza. Il problema è che si rischia che il robot rompa l'oggetto perché lo maneggia con troppa forza. Deve quindi "essere soft" e qui abbiamo la parola chiave che ha convinto gli esperti del DARPA a invitare il WALK-MAN alla competizione.

Da questo punto di vista, come esseri umani, possiamo contare su una mano davvero strabiliante, ricca di "sensori" e dotata di una muscolatura capace di applicare un forza molto leggera oppure irruenta. Sarà sensorizzata anche la mano del robot, con una sorta di pelle che vedremo più avanti.

 

Migliore dell'Honda Asimo, non dell'Uomo

Pensando a un robot che imita l'umano è inevitabile pensare a una macchina più forte, più veloce, più intelligente di noi. È un'immagine più da fantascienza che da scienza, ma abbiamo domandato alla Dott.sa Pallottino se almeno in qualcosa il WALK-MAN sarà migliore di noi. Magari nell'equilibrio?

"Un migliore equilibrio no. L'uomo ci mette un anno e oltre per imparare a camminare, il che non è male perché sta su due gambe. […] Sicuramente sarà migliore nella forza, ma almeno per ora l'obiettivo è cercare di farlo funzionare nel modo più possibile simile all'uomo, non stiamo ancora parlando di farlo meglio".

"L'idea è che mandiamo un umanoide e non un umano perché il robot si può sostituire", sottolinea la ricercatrice, ricordandoci anche che non ne sappiamo ancora abbastanza sul funzionamento nel nostro corpo e della nostra mente per sperare di creare una copia realistica. "La Natura ce ne ha messo di tempo per farci diventare come siamo".

Comunque parliamo di un robot molto avanzato, che insieme all'ATLAS rappresenta un salto generazionale nel mondo dei robot umanoidi. La generazione precedente è rappresentata invece da prodotti come l'Honda Asimo (Il robot Asimo migliora, ci salverà dal disastro di Fukushima). "Rispetto all'Asimo i due progetti nascono in tempi diversi, e l'Asimo ha ormai una certa età per quanto ce ne siano versioni sempre aggiornate. È però destinato a vivere in ambienti chiusi e creati ad hoc, molto di nicchia in questo senso, da laboratorio".

"Se dobbiamo pensare a qualcosa di nuovo, guardiamo a qualcosa che possa vivere al di fuori. Un po' com'è stato per i robot nelle fabbriche", continua la dott.ssa Pallottino, "che una volta erano in immense gabbie in cui l'essere umano non poteva entrare. Ora si vedono sempre di più braccia robotiche accanto all'uomo nelle aziende, e si vedono sempre più robot anche fuori dall'industria. Stiamo rompendo questi limiti, non semplicemente migliorando i robot che c'erano prima, ma pensandone di nuovi concettualmente diversi".

"Non si tratta di migliorare l'Asimo ma di ripensarlo. Ciò che portiamo in questo progetto come Università di Pisa è proprio questo concetto di robotica soft, cioè morbida. Vale a dire robot che possano interagire e muoversi nell'ambiente come fa l'uomo. Se siamo in un negozio di cristalli cerchiamo di muoverci in modo morbido, e ci adeguiamo alla situazione; possiamo irrigidire il muscolo del braccio per infilare il filo nella cruna; se invece ho bisogno di correre non lo faccio con un braccio rigido ".

Per i robot invece le cose non sono così semplici, perché noi come essere umani abbiamo il vantaggio di milioni di anni di evoluzione. "L'Asimo queste cose non le fa" ci spiega infatti Lucia Pallottino, "quindi anche la sua camminata viene detta quasi statica, è buffo come si muove. L'elasticità tipica dell'uomo non si vede nell'Asimo, però l'idea va presa perché l'uomo è estremamente elastico. È questo il concetto che si vuole portare in questa nuova generazione, che tra l'altro l'ATLAS ha in pieno".

Rispetto all'ATLAS la prima differenza evidente è la nazionalità, ovviamente, perché lui è statunitense mentre il WALK-MAN è europeo. Ma non è tutto qui: un'altra differenza importante sta nel fatto che "il loro obiettivo è vendere, il nostro è capire e fare ricerca. Nella nostra ricerca abbiamo sviluppato nuovi attuatori, nuovi algoritmi, nuove idee e vogliamo implementarle, perché applicandole a un umanoide vero s'imparano tante altre cose e di conseguenza s'inventano altre cose".

 

WALK-MAN: ricerca pura con sbocchi concreti

"L'idea è di portarlo in applicazioni civili di supporto all'uomo per situazioni disastrose, come terremoti, rischi di crolli, fuoriuscite radioattive o altro. Sempre pensando che l'umanoide da un certo punto di vista facilita l'interazione con l'uomo e da un altro un po' spaventa". La professoressa Pallottino tocca uno dei punti fondamentali nella robotica moderna con questa frase: non è tanto ciò che il robot può fare o meno insieme all'Uomo, ma il fatto che quest'ultimo veda nella macchina la paura di essere rimpiazzato, di diventare superfluo. Un concetto che tra l'altro e alla base anche del breve saggio pubblicato recentemente da Federico Pistono (I robot ci ruberanno il lavoro ma ci ridaranno la vita).

Al di là di questa importante questione, abbiamo domandato cosa potrebbe essere del WALK-MAN in cinque o dieci anni. "Come università pensiamo sempre in termini più lunghi dei 5-10 anni. Chi pensa così punta a un prodotto da mettere sul mercato, ma noi pensiamo sempre a 10-20 anni almeno, quando facciamo ricerca. In questo caso riteniamo che nel giro di 10 anni sì, (i robot) possano essere quasi sul mercato".

"Il problema del mercato in questo caso è il mercato stesso: se c'è l'interesse, se i costi sono tali da rendere il robot accessibile, se c'è la moda. È una questione di business e di marketing, non di tecnologia. In parte si punta al mercato di massa, ai giocattoli. In fondo anche l'iPad è un giocattolo".

Giocattoli? Abbiamo domandato con un certo scetticismo. "Quelli ci sono già, l'umanoide è un po' più avanzato e complicato, ma 20 anni fa avevo una bambola che camminava . Il problema maggiore è l'impatto emotivo, quello che può sentire il cittadino nel vedere accanto a sé un umanoide con un certo grado di autonomia", insiste la ricercatrice toccando un tema che i effetti ha dato vita anche ad alcuni film memorabili (I 40 robot migliori nella storia del cinema). "Pensiamo alle auto: ci sono già quelle che vanno da sole. Dov'è il problema? Che potremmo esserne tutti spaventati al punto da non uscire più di casa. È questo il problema, non la tecnologia. L'auto c'è, anche se magari un po' bruttina.

 

La macchina intelligente ci cambia, non ci peggiora

Certo, l'auto che parcheggia da sola c'è. Ma non è forse vero che ancora oggi si parcheggia meglio con il vecchio metodo? O se non altro più in fretta? "Certo, ma perché lo sappiamo fare. Per esempio le auto moderne hanno quasi tutte la partenza assistita in salita; se uno impara così, e poi va su una vecchia FIAT 127 non è in grado di partire in salita. Dobbiamo pensare che non sono prodotti per noi, ma per la prossima generazione". Enfatizza la scienziata, con una frase che rimanda a un discorso lontano dalla robotica ma senz'altro interessante, e che nasce dalla domanda: la tecnologia ci rende stupidi?

"Da un certo punto di vista disimpariamo, ma dall'altro impariamo perché per fare queste cose c'è tutto un mondo di cultura in più. Tutta la tecnologia è buona e cattiva a seconda di come la si usa. Anche i conti a mente non li facciamo più perché abbiamo il computer, ma abbiamo imparato a usarlo. E abbiamo potuto fare tante altre cose. Se ne potrebbe parlare a vita … Anche perché questo tipo di evoluzione va avanti, e se non siamo noi a farla sarà qualcun altro. È così, sono cose più grosse di noi. E dopotutto se avessimo potuto mandare un umanoide a Fukushima invece delle persone che ora stanno morendo forse sarebbe stato meglio, no?".

 

WALK-MAN come prodotto commerciale fatto in serie

Come tanti progetti di ricerca il WALK-MAN potrebbe un giorno diventare un prodotto commerciale – per quanto non certo nei grandi magazzini. Ma quanto costerebbe? "Non è facile da stabilire al momento, ma si parla di centinaia di migliaia di euro per ora – tutto dipende dal grado di autonomia che avrà alla fine". Avremmo pensato milioni in effetti, e si potrebbe arrivare a questo ordine di cifre per un prodotto creato in un solo esemplare con un design ricercato, ma "poi è obbligatorio abbassare il prezzo altrimenti sul mercato non entrerà mai. Costavano milioni di euro gli Asimo calcolando tutto, ma ora i prezzi si sono abbassati.

Ma chi potrebbe farli? Si troverebbe una catena produttiva in Europa? "Si sta pensando che l'unica possibilità siano le case automobilistiche. Sono le uniche aziende che hanno sia la distribuzione sul territorio sia le capacità produttive per fare una cosa del genere. In fondo Honda (che produce Asimo, NdR) è anche una casa automobilistica". E poi bisogna pensare che "se uno lo vuole mettere sul mercato va considerata anche l'assistenza", e a questo riguardo non si può pensare di mandare un umanoide dall'altra parte del mondo per un intervento di riparazione.

 

Un robot con le mani di fata

Veniamo alle mani, di cui si occupa in particolare il gruppo in cui lavora la Dott.sa Pallottino, e alla tecnologia soft degli attuatori. "Sono attuatori che somigliano alla muscolatura umana, che appunto è in grado, cambiando la rigidità del muscolo, di muoversi in modo morbido o rigido. L'idea è replicare questa idea con gli attuatori del robot". Un obiettivo ambizioso, che si cercherà di mettere in pratica con un gran numero di attuatori sul WALK-MAN, ma senza eccedere.

"Per ogni movimento che può fare un elemento del nostro corpo (falange, braccio, avambraccio) ci vorrebbe un motore, per ogni cosiddetto grado di libertà. Se pensiamo alla sola mano possiamo immaginare quanti motori ci vorrebbero per muovere ogni singolo giunto". Facendo così però "il robot sarebbe pieno di attuatori e diventerebbe immenso".

Insomma, l'idea di una macchina che si muove esattamente come noi non è semplicemente percorribile al momento. Ma allora come fare? "Noi non muoviamo una falange alla volta, non ci serve saperlo fare. Facciamo movimenti coordinati delle dita, quindi se dobbiamo fare delle prese, prendere una bottiglia per esempio, chiudiamo la mano attorno ad essa usando un po' tutte le dita insieme, quindi muovendo tutte le falangi (in modo coordinato, appunto)"

"Questo movimento coordinato è chiamato sinergia. Ci sono dei movimenti di base, che sono stati studiati: ne esistono tre che spiegano più o meno il 90% delle prese più comuni. A questo punto non ha senso realizzare tutti i gradi di libertà possibili; già con un movimento riusciamo a fare tantissime cose", come si può vedere per esempio sul canale YouTube del Centro Piaggio.

Nel video vediamo una ragazza che simula l'azione di un solo motore, in azione sul modello di una mano simile a quella del WALK-MAN. E ottiene così una grande varietà di movimenti, nonché di forza applicata. La stessa mano è in grado di maneggiare delle fragole, una cosa che in effetti ha dell'incredibile (speciale sul sito del centro E. Piagio dell'Università di Pisa).

 

Un robot intelligente, sa fare da solo un sacco di cose

Lucia Pallottino ci ha spiegato che in senso strettamente tecnico quella del WALK-MAN non è intelligenza artificiale, perché non è dotato di reti neurali. Lo sarà però nel senso più ampio del termine, perché "avrà un certo intelletto a bordo per l'elaborazione e la ricostruzione delle immagini, ma non si basa su ciò che da noi s'intente tipicamente come intelligenze artificiale, come le reti neurali o l'apprendimento. WALK-MAN imparerà tramite l'esperienza, che è, questo sì, tipico dell'intelligenza artificiale".

A parte le doverose distinzioni tecniche si può senz'altro dire che, in termini generali, il WALK-MAN è intelligente perché è "autonomo, in grado di fare le cose da solo senza l'intervento dell'uomo". Nella gara del DARPA, per esempio, il WALK-MAN sarà controllato in remoto, ma la competizione prevede problemi di comunicazione di vario tipo, e quando manca il collegamento la macchina dovrà far da sé.

Durante la gara il contatto sarà via cavo e i problemi saranno simulati; questo per garantire che tutti i partecipanti si trovino nelle stesse condizioni. Nella realtà la comunicazione sarà wireless, tramite una rete ad hoc tra il controller e il robot. Questa scelta è necessaria se si pensa che il WALK-MAN potrebbe trovarsi a operare in zone disastrate, dove Internet semplicemente non c'è. "Se poi c'è, uno ovviamente si appoggia all'infrastruttura, e se si va in un posto dove ci sono telecamere che funzionano, uno le usa e le fa usare anche al robot, ma non è detto che ci siano". Non è ancora stabilito invece quale sarà la portata del segnale wireless, ma si sta parlando con le agenzie per la protezione civile degli con gli stati interessati per capire i possibili scenari e i relativi bisogni.

 

Batterie normali, non esageriamo

Con nostra grande sorpresa abbiamo scoperto che il WALK-MAN usa comuni batterie agli ioni di litio, non dissimili da quelle presenti in un moderno smartphone. Perché non ci sono novità tecnologiche anche qui?

"Al momento no, perché è già troppo così per noi. E poi quello delle energie non è il nostro settore", spiega la dott.ssassa Pallottino. Di certo "muovere un robot assorbe molta energia e farlo con energia solare o metodi alternativi non è possibile, anche perché non danno garanzie. Non posso permettere che l'umanoide non funzioni più a metà di un'operazione, magari che cada. Deve avere una certa autonomia energetica". Non è ancora noto però quali saranno i consumi totali del robot quando sarà completamente assemblato, né quale sarà la capienza delle batterie. Il team di sviluppo sta comunque lavorando affinché il WALK-MAN sia il più efficiente possibile, ma per ora non ci sono dati specifici.

In particolare presso l'Università di Pisa si sta facendo il possibile per ridurre al minimo i movimenti. Il robot "dovrà sapere quali sono i movimenti che potrà fare più di frequente e quelli che dovrà fare il meno possibile. […] L'ottimizzazione del consumo energetico è senz'altro tra i nostri obiettivi sin da subito", sottolinea la ricercatrice, per quanto al momento sia ancora presto per parlare di numeri.

 

Conclusioni

L'intervista con la Dott.sa Lucia Pallottino (nell'immagine) ci ha aiutato a capire un po' meglio cosa significa realizzare un robot umanoide nel 2013, e soprattutto a tracciare i limiti tra il realistico e l'immaginario. Nel futuro immediato potremo realizzare macchine che ci somigliano alla lontana, ma dotate di capacità relativamente limitate.

Limitate ma incredibili. Sì, perché pensare a una macchina che può entrare nella zona di un disastro, salire scale, individuare possibili superstiti, rimuovere macerie, afferrare maniglie, e fare tutto questo magari in totale autonomia, è davvero incredibile.

Siamo ancora ben lontani da robot fin troppo umani come quelli che ci ha raccontato Asimov, o il commovente David di A.I. – Intelligenza Artificiale. E meno male, perché come ci ha ricordato la ricercatrice il problema non è tanto nell'evoluzione tecnologica, che comunque procede, ma il rapporto di noi esseri umani con queste macchine.

In questo senso sarà un bene se il WALK-MAN e i suoi simili diventeranno oggetti presenti nel nostro quotidiano. Perché hanno ancora l'aspetto di macchine, che ricordano solo remotamente l'essere umano, e forse sono un buon metodo per abituarci all'idea. Se poi un giorno questi oggetti ci dovessero rubare il lavoro, speriamo che si concretizzi anche la visione di Federico Pistono.

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