Combinare le capacità umane a quelle robotiche e fornire strumenti e soluzioni per migliorare gli ambiti lavorativi è al centro della ricerca sulla embodied intelligence condotta a Pisa

L’embodied intelligence è la nuova frontiera della robotica. È un concetto che identifica la capacità di un corpo di svolgere azioni semplici e complesse. L’esempio più efficace è rappresentato dalle mani: grazie a loro riusciamo a interagire, a modificare l’ambiente che ci circonda. La manipolazione robotica intelligente è particolarmente interessante per chi opera nell’ingegneria robotica, ma anche nel settore industriale o medico. Riprodurre l’intelligenza incorporata in dispositivi robotici è una sfida complessa e al centro della ricerca, anche quella che si svolge al Dipartimento d’Ingegneria dell’Informazione (DII) dell’Università di Pisa, frutto dell’incrocio di diverse competenze, dagli ingegneri ai neuroscienziati.

Frutto del lavoro congiunto dell’Università di Pisa e dell’IIT – Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, è stata la mano robotica, SoftHand, che usa un unico motore per svolgere le principali azioni di una mano umano, ovvero la presa, ma sapendo adattarsi agli oggetti ed è anche sicura nel rapporto non solo con gli oggetti, ma anche e soprattutto con gli esseri umani. «Sfrutta la semplicità del controllo e l’adattabilità: così è divenuta una mano bionica, una protesi pe svolgere attività quotidiane», racconta Matteo Bianchi, professore presso il DII e il Centro di Ricerca in Bioingegneria e Robotica “E. Piaggio” dell’Università di Pisa.

Un altro aspetto di intelligenza corporea riguarda il tatto: la pelle è l’organo più diffuso del nostro corpo, coprendo un’area di circa due metri quadri e arrivando a pesare fino al 15% della massa corporea, contando una fitta presenza di sensori, tra cui i meccanocettori.

Su questo si lavora nel team di ricerca dedicato, parte integrante di FoReLab, il progetto avviato presso il DII dell’Università focalizzato sull’industria del futuro.

Embodied intelligence e gli sviluppi attesi al FoReLab

La finalità su cui si lavorerà al FoReLab sarà quindi quella di ideare sistemi robotici affidabili, in grado di operare in scenari dinamici e critici. L’attività si focalizzerà sugli aspetti di frontiera dell’Intelligenza Artificiale e dell’embodied intelligence, promuovendo un utilizzo diffuso, affidabile e integrato di entrambi.

La ricerca include la progettazione di comportamenti degli agenti tenendo conto dell’ambiente e dei vincoli in termini di sistemi corporei, percettivi, motori e cerebrali per operare in modo intelligente in scenari sconosciuti, non strutturati e imprevedibili.

Tra le possibilità aperte c’è quella riguardante robot avatar, sistemi capaci di conciliare intelligenza incarnata per l’interazione uomo-robot. Ci sarà spazio per l’impiego di embodied intelligence per operazioni robotiche cooperative, con squadre di robot in grado di operare in modo smart.

Ci sarà spazio anche per lo sviluppo della telerobotica, della chirurgia robotica e di progetti che riguardano la realtà aumentata tattile. A questo proposito è stato sviluppato un approccio che consente, per la prima volta, di modulare la morbidezza percepita di oggetti reali utilizzando un approccio wearable feel-through: a questo scopo verranno impiegati specifici tessuti come superfici di interazione.

Tatto, muscoli e intelligenza: punti forti su cui lavora la ricerca

Tra le attività svolte in questo comparto di ricerca c’è quindi il lavoro sulla percezione aptica, ovvero sul processo che permette di riconoscere gli oggetti mediante il tatto. A questo fine verranno modellate le caratteristiche computazionali e biomeccaniche per sviluppare sensori tattili per le mani robotiche, ma anche per altri ambiti tra cui la chirurgia robotica. Ecco allora uno degli sviluppi possibili dell’embodied intelligence: riuscire a trasmettere a un chirurgo ciò che effettivamente sta “sentendo” un robot è fondamentale per svolgere interventi ancora più mirati e precisi. Come spiega Bianchi:

«Il nostro obiettivo anche all’interno di FoReLab è sviluppare immagini per le mani artificiali, una possibilità offerta grazie a specifici sensori ottici che simulano le caratteristiche dei polpastrelli umani e che permettono di acquisire in maniera autonoma informazioni sugli oggetti esplorati».

Un altro esempio, e campo di esplorazione della embodied intelligence riguarda l’esplorazione dei muscoli: essi possono contrarsi, diventare rigidi o cedevoli, a seconda della necessità e questo ci permette di operare al meglio in ogni ambiente. «Modellare questi comportamenti e riportarli su attuatori permette di costruire degli avatar, ovvero dei robot che impiegano mani artificiali deformabili, attuatori “intelligenti” per aiutare gli esseri umani in svariati compiti e lavori o anche per sostituirli in ambienti critici o in grado di mettere a rischio l’incolumità umana».

Il ruolo dell’intelligenza artificiale

Un altro campo esplorativo riguardante l’embodied intelligence riguarda la combinazione con l’intelligenza artificiale. Come spiega il docente:

«combinare l’intelligenza computazionale con quella fisica può permettere di progettare robot in grado di servire autonomamente l’uomo. Pensiamo all’ambito industriale: l’utilità di sfruttare queste capacità, specie in ambienti non strutturati consentirà di fare passi in avanti notevoli in termini di qualità lavorativa e di sicurezza».

Il lavoro che verrà svolto dal team dove opera Matteo Bianchi si concentrerà sullo sviluppo di sistemi robotici, avatar umanoidi ma anche di sistemi in cui l’embodied intelligence si focalizza sull’aptica e in particolare su sistemi che permettono di aumentare la realtà fornendo immagini per le mani. Questo significherà lo sviluppo di sensori artificiali per le mani artificiali, ma anche interfacce indossabili da persone che possono continuare a toccare gli oggetti reali, ma anche sentire stimoli tattili aggiunti, come avviene già per la realtà aumentata visiva.

Nel lavoro di ricerca specifico, un ruolo determinante lo svolgerà l’AI. «Oltre alle tecniche d’intelligenza artificiale data driven, come il deep learning, un ruolo importante lo giocheranno i modelli computazionali della percezione umana. Partendo, quindi, da modelli matematici analitici integrati anche con sistemi guidati dai dati sarà possibile creare immagini comprensibili dall’essere umano. Questo significa mettere nuovamente l’uomo al centro partendo sia da modelli computazionali sia della percezione tattile umana».

Embodied intelligence: le prospettive aperte

Le potenzialità offerte dall’impiego della embodied intelligence sono molteplici. Come detto, uno dei casi più esemplari riguarda la chirurgia robotica: sarà possibile rendere il chirurgo consapevole della localizzazione di tessuti biologici specifici oppure anche nella teleoperazione di avatar robotici. Altre prospettive riguardano anche la realtà aumentata le comunicazioni uomo-uomo.

C’è un altro versante in cui l’intelligenza incorporata potrà essere impiegata con successo: quello che riguarda i robot industriali. «In questo versante c’è già una rivoluzione in atto. I robot ormai non sono più chiusi nelle gabbie, ma operano al fianco all’uomo, divenendo anche parte dell’uomo, pensando ai sistemi bionici. La ricerca opererà in modo da aumentare l’intelligenza del controllo, incorporandola al sistema fisico, abbattendo così ulteriori barriere e agevolando non solo l’interazione, ma anche un’integrazione tra uomo e robot».

Bianchi ricorda, a tale proposito, che esistono già progetti di ricerca finalizzati su queste linee, avviati a livello europeo a firma italiana, ma l’intenzione già avviata con CrossLab e ora con FoReLab è di rilanciare ulteriormente la posta in palio con progetti ancora più ambiziosi. Si spazierà dalla robotica avanzata all’augmented reality: «la realtà aumentata tattile è un paradigma nuovo e a Pisa siamo tra i pionieri di queste soluzioni. Con FoReLab e con altre iniziative del PNRR che fanno riferimento ancora al nostro Dipartimento l’idea è di rilanciare, di allargare gli orizzonti anche applicativi».