La meccatronica, settore più avanzato della manifattura meccanica, vede l’Italia tra i protagonisti nella ricerca applicata, che beneficia dell’impiego sempre più ampio delle tecniche di intelligenza artificiale.
TAKEAWAY
- La meccatronica è la punta di diamante della manifattura meccanica italiana, contando più di 50mila aziende attive. Il nostro Paese vanta un’importanza storica nel settore – anche nell’R&D – e le aziende che vi lavorano esprimono un elevato tasso d’innovazione tecnologica e di digitalizzazione.
- Proprio per questa sua propensione all’innovazione e alla digitalizzazione, la meccatronica conta su un sempre maggiore apporto dell’intelligenza artificiale per ottimizzare la produzione, ma anche per garantire una migliore interazione uomo-macchina.
- In Italia si contano diversi centri di ricerca che lavorano al presente e al futuro della meccatronica, dal green manufacturing alla robotica collaborativa, puntando anche a una maggiore autonomia e “intelligenza” delle macchine: per questo vengono adottate tecniche AI e di ottimizzazione ispirate anche alla natura.
Trovano sempre nuovi spazi di impiego le tecniche di intelligenza artificiale nella meccatronica, scienza e campo applicativo dove l’Italia è protagonista a livello europeo e internazionale. Oggi, nel complesso, sono più di 50.600 le imprese che contano più di un milione di dipendenti; se si eccettuano i servizi di progettazione e ingegneria, se ne contano circa 31.700 attive nel campo, con più di 900 mila dipendenti e circa 250 miliardi di euro di fatturato (dati Unindustria Reggio Emilia).
L’attività di ricerca, pura o applicata, opera prevalentemente a ottimizzare i processi produttivi, a renderli più efficienti e migliorare l’interazione uomo-macchina o uomo-robot. I filoni su cui si lavora sono diversi, dalla manutenzione predittiva all’attuazione del digital twin all’impiego dei cobot. Meccatronica e robotica sono spesso legati: d’altronde, la meccatronica è la scienza che combina – integrandole – meccanica ed elettronica, per progettare, sviluppare e controllare sistemi e processi a elevato grado di automazione e integrazione. E proprio per migliorare e rendere più evoluti sistemi e processi industriali, entra in campo l’intelligenza artificiale.
Intelligenza artificiale nella meccatronica: numeri, settori e legame tra ricerca e imprese in Italia
La meccatronica italiana è la più competitiva specializzazione della manifattura meccanica nazionale, che conta più di 50 mila imprese, di cui il 62% imprese di capitali. Il nostro è tra i cinque paesi che rappresentano i due terzi dell’export della meccatronica UE, insieme a Germania, Olanda, Franca e Regno Unito. Anche se il peso specifico della Germania è significativo (da sola copre il 30% circa di tutto l’export europeo) l’Italia rappresenta il 7%.
Considerando i codici Ateco, comprende ben 24 settori, in maniera più o meno diretta. Si spazia dalla fabbricazione di componenti elettronici e schede elettroniche, agli autoveicoli alle macchine utensili, fino ai robot industriali per sollevamento, movimentazione, carico e scarico.
È uno dei settori a più forte vocazione all’export: sui 429 miliardi di euro di export totale della meccatronica nazionale, ben 152 miliardi (il 35,2%) è legato alla meccatronica. Inoltre, è il comparto con maggiore propensione all’innovazione e alla trasformazione digitale, evidenzia l’Osservatorio Innovazione Emilia-Romagna. Più del 40% delle imprese meccatroniche dichiara di affrontare un percorso di innovazione e di digital transformation, contro appena un terzo delle imprese non meccatroniche.
L’Italia, oltre che protagonista, è la patria della meccatronica. Symbola, nel suo “100 Italian Robotics & Automation Stories”, ricorda che la sua nascita la si deve a Franco Sartorio, ingegnere e pioniere dell’unione tra meccanica ed elettronica, oltre che fondatore della piemontese Dea, da cui uscì la Macchina di misura, “un dispositivo per misure dimensionali che conquistò il mondo”.
Il ruolo della ricerca e dell’intelligenza artificiale nella meccatronica è sensibile, specie quella applicata. Lo comprovano i vari accordi nati tra università e imprese: uno dei più recenti, siglato tra STMicroelectronics e il Politecnico di Milano, ha per oggetto l’avvio di un centro di ricerca sui materiali per i sensori, in particolare sulla tecnologia Mems, fondamentale per la meccatronica.
Ancora più recente è I-Labs Industry, nelle Marche, inaugurato lo scorso novembre, nato per consolidare la collaborazione tra la ricerca e le imprese in ambito Industry 4.0, in particolare sulle tecnologie per la produzione flessibile e personalizzata. Collaborerà con il Competence Center Artes 4.0, specializzato in robotica e intelligenza artificiale.
Si guarda al green manufacturing
«Negli ultimi due, tre anni si è assistito a una crescita esponenziale di casi applicativi e di combinazione dell’intelligenza artificiale nella meccatronica. Si è cominciato a comprendere il valore immenso dei dati e della possibilità di interpretarli e impiegarli, mediante l’impiego di varie tecniche di AI. Il lavoro, svolto a livello consociativo è cercare di far comprendere i vantaggi potenziali del suo impiego, specie nelle PMI dove si è ancora molto indietro», racconta Marco Bianconi, senior research scientist del CNR-IMM, direttore scientifico del MISTER Smart Innovation (Laboratorio di ricerca industriale e trasferimento tecnologico in Meccatronica, Biomedicale e ICT.), nonché vicepresidente del Cluster-ER Meccatronica e Motoristica.
«Le priorità strategiche su cui ci concentreremo nei prossimi mesi sono varie, in particolare però segnalo il green manifacturing. È un tema prioritario, a livello politico e operativo. Anche in questo caso è possibile pensare all’impiego dell’intelligenza artificiale per rispondere alle sfide, che riguardano vari settori, dalla ricerca di nuovi materiali alla sicurezza ed efficienza energetica dei processi e della supply chain. Pensiamo solo alla logistica: rendere efficiente il lavoro in questo settore è fondamentale: l’impiego dei mobile robot e, nello specifico, degli AGV (Automated Guided Vehicle) richiede l’utilizzo dell’AI per ottimizzare processi e sistemi», segnala Bianconi, aggiungendo anche il tema del rapporto dell’uomo nel contesto di Fabbrica 4.0., della relativa organizzazione aziendale e dell’importanza dell’individuo al centro di questa trasformazione digitale e di processo manifatturiero.
Intelligenza artificiale nella meccatronica: focus su sensorizzazione e diagnostica delle macchine automatiche
Tra i più recenti e significativi progetti di ricerca che vedono l’impiego dell’intelligenza artificiale nella meccatronica va segnalato il progetto DIGIMAN, sulle macchine automatiche, guidato dal consorzio MUSP (Macchine Utensili e Sistemi di Produzione) di Piacenza, focalizzato sulla sensorizzazione e diagnostica delle macchine automatiche.
Esso prevede lo sviluppo di strumenti e soluzioni sensoriali innovativi per la caratterizzazione del processo di taglio e dell’output della lavorazione, di strumenti per la modellazione virtuale e di funzionalità interpretative/decisionali basate su tecniche di intelligenza artificiale.
Altro tema applicativo su cui lavora la ricerca è la supervisione della produzione di componenti, tramite telecamere e/o sensori: anche qui l’AI svolge un ruolo particolarmente prezioso. In questo caso, per ottimizzare la produzione, occorre svolgere un’analisi per identificare eventuali non conformità di un componente o di un prodotto. «In questo caso si ricorre alla Computer Vision e ad algoritmi di machine learning supervisionati e addestrati per individuare eventuali difetti nei pezzi. Il compito viene svolto con un’elevata rapidità e su ingenti volumi di prodotto. Qui «il potenziale dell’AI è legato alle possibilità di sfruttare i dati per trovare nuove informazioni potenzialmente utili», specifica Bianconi.
Dalla supervisione si passa alla richiesta di elaborazione in maniera autonoma alla ricerca di potenziali correlazioni interessanti per altre applicazioni e altri servizi. «In questo caso è possibile impiegare il deep learning, permettendo di classificare e organizzare in cluster i dati ad alta velocità».
Dalla meccatronica alla robotica collaborativa intelligente
Il legame tra meccatronica e robotica è molto stretto. A riprova, molti centri di ricerca legano i due temi. Tra questi va segnalato MeRLIn, Mechatronics and Robotics Lab del Politecnico di Milano, di cui è responsabile scientifico e membro Paolo Rocco, professore di Automatica e Robotica. È una figura di spicco nella robotica, e proprio in tema di industrial robotics svolge ricerca, in particolare sulla robotica collaborativa che è uno dei trend di maggior rilievo della robotica industriale, anche se «è ancora un’area di nicchia, stimata intorno al 5% del mercato», sottolinea lo stesso Rocco.
Nel Lab milanese, la ricerca è impegnata a creare le migliori condizioni per un più proficuo e approfondito impiego dei cobot, favorendo l’interazione umano-robotica. Per questo serve una maggiore intelligenza. Ed è qui che entra in campo il fattore AI: «il lavoro che stiamo conducendo in MeRLIn è lo sviluppo della robotica collaborativa intelligente». Significa dotare il robot di capacità di percezione di ciò che accade intorno a sé e questo è possibile tramite strumenti di visione cognitiva, che consenta di estrarre informazioni in automatico da ciò che vede. «Se questo risulta possibile, allora si può disporre uno strato di intelligenza artificiale per promuovere nel robot l’interpretazione di ciò che sta facendo l’uomo». I progetti di ricerca a questo proposito non mancano: lo stesso lab milanese ha dato luogo qualche anno fa a Smart Robots, uno spin-off in collaborazione con la fabbrica delle imprese e-Novia, che ha portato alla realizzazione di un sistema di visione intelligente in grado di interfacciarsi su diversi robot, tra cui YuMi, il primo cobot al mondo a due bracci, con comandi generati da un software di AI [per approfondimenti, consigliamo la lettura della nostra guida alla robotica, che spiega cos’è, come funziona e quali sono gli esempi di applicazione – ndr].
Verso una maggiore intelligenza collaborativa
Sempre a proposito dell’impiego dell’intelligenza artificiale nella meccatronica e, nello specifico, nella robotica, va segnalato anche il progetto di ricerca che vede la collaborazione tra MeRLIn e Camozzi Group, realtà specializzata in soluzioni per l’automazione industriale. Primo atto di questa sinergia, frutto di una partnership JRC, è l’avvio di un laboratorio congiunto tra Politecnico Milanese e la società. L’obiettivo è realizzare una linea dimostrativa di produzione mista uomo-robot per l’assemblaggio di prodotti. «L’elemento particolarmente innovativo riguarda la schedulazione delle attività, ossia decidere chi tra uomo e robot deve occuparsi dei vari interventi sulla linea e quando svolgerli, in modo da aumentare la produttività. Questi sistemi si appoggiano a un digital twin dell’impianto che simula le varie operazioni e ottimizza l’interazione human-robot» specifica il docente. L’opportunità di impiego dell’intelligenza artificiale nella meccatronica e, nello specifico, nella robotica collaborativa avviene sotto forma di algoritmi di machine learning. Sulla base delle informazioni estratte dalla visione, sono in grado di applicare metodologie predittive degli scenari futuri e delle azioni svolte. «Sempre mediante algoritmi di ML, siamo in grado di comprendere anche la percentuale di avanzamento di una certa operazione attraverso lo studio dei movimenti della persona in modo da preparare l’entrata in azione del robot, ottimizzando i tempi e combinando al meglio l’intero processo produttivo».
Il futuro guarda alle linee del Piano Nazionale della Ricerca 2021-2027 e, in particolare, all’ambito specifico della robotica e ai trend delineati anche nel comparto Industry 4.0. In esso si fa specifico riferimento all’evoluzione dell’AI «verso l’intelligenza collaborativa relativamente all’interfaccia tra persona e sistema cyber fisico, interazione con robot, con macchinari e più in generale con sistemi complessi».
«I maggiori sforzi in prospettiva, correlati all’impiego dell’intelligenza artificiale, saranno focalizzati sull’opportunità di rendere i robot consapevoli delle azioni che compiono e delle interazioni che hanno con l’ambiente e con gli oggetti che afferrano. Inoltre si lavorerà per aumentare l’abilità del robot, come quella manipolativa specie di oggetti deformabili», conclude il responsabile scientifico MeRLIn.
Digital twin nell’Industria: il ruolo dell’AI
«L’intelligenza artificiale nella meccatronica trova sempre più spazio. Se il tema del momento è la sensorizzazione delle macchine e degli impianti per la data collection, va considerato che, per la trasformazione dei dati, si ricorre spesso a tecniche di AI per ottenere funzioni avanzate di automazione o di manutenzione, specie per l’ottimizzazione di processo». Lo afferma Marco Sortino, professore di Tecnologia meccanica e Sistemi di lavorazione presso l’Università di Udine e direttore scientifico del Laboratorio di Meccatronica Avanzata LAMA FVG.
Lo stesso Lab friulano, sia per la ricerca pura sia per quella applicata, impiega l’AI. Un campo di utilizzo specifico è per realizzare i digital twin nel contesto industriale: a questo proposito si ricorre all’impiego di tecniche di intelligenza artificiale per espletare le funzioni più evolute.
Un altro impiego specifico è legato allo sviluppo di macchine utensili a elevato tasso di automazione: sono macchine in grado di identificare tramite elaborazione avanzata di dati sensoriali e di altre grandezze la conformità della lavorazione o una eventuale deviazione di processo e di intervenire nel caso. «Questo è possibile mediante l’utilizzo di sensori aggiunti oppure utilizzando i segnali disponibili nell’azionamento della macchina», specifica.
Le prospettive dell’intelligenza artificiale nella meccatronica
Un secondo tema di ricerca riguarda l’auto-programmazione delle macchine. «Oggi, per progettare e realizzare prototipi, prodotti finiti e linee di produzione, si impiega in modo congiunto il software CAD/CAM, che sfrutta un ambiente geometrico tridimensionale per disegnare le traiettorie utensile e simulare processi e ottimizzare i parametri. Grazie all’impiego della AI, stiamo cercando di rendere tutto questo processo completamente autonomo». Nello specifico, si adottano tecniche di machine learning e di ottimizzazione derivanti da ispirazione biologica, nel caso specifico da comportamenti derivanti dal movimento a sciame degli insetti o stormi di uccelli.
«Dato che si tratta di domini piuttosto complessi, il ML permette di ridurre la complessità del sistema e i tempi di calcolo, ottenendo delle mappe che possono essere utilizzate più agevolmente per l’ottimizzazione» specifica Sortino. I benefici sono rilevanti: dall’analisi di svariati casi studio derivati da applicazioni industriali sono stati riscontrati enormi potenziali di miglioramento delle prestazioni anche di processi già in uso, come l’automotive, verificando margini importanti di risparmio sulle lavorazioni o di aumento della produttività.
Il lab LAMA FVG sta collaborando anche in prospettiva sull’impiego dell’intelligenza artificiale nella meccatronica. «Diversi fornitori di componentistica cercano di proporre sul mercato dispositivi meccatronici, debitamente sensorizzati, per sfruttare la raccolta e il successivo passaggio nel cloud. Si creano così diversi ecosistemi in cui dati sono fruibili e nei quali vengono impiegate ancora una volta tecniche di Machine Learning per aiutare a sviluppare funzioni di monitoraggio e manutenzione del componente. È un concetto che ricade nella predictive maintenance, ma c’è di più. La prossima frontiera è impiegare l’AI per sfruttare la mole di dati per estrarre informazioni preziose per altre attività e servizi, inclusa anche la possibilità di fare efficienza energetica» conclude Sortino.
