L’impiego dell’AI per sviluppare robot intelligenti e autonomi è un fattore essenziale specie per un loro impiego in contesti critici, come pale eoliche offshore, miniere e siti nucleari. Da qui partono tre progetti nel Regno Unito cui lavora un’esperta italiana di intelligenza artificiale.

TAKEAWAY

• Le tecniche che fanno capo all’ambito di studi dell’intelligenza artificiale sono essenziali nello sviluppo di robot autonomi per ambienti estremi.
• Nel Regno Unito sono stati avviati tre progetti dedicati all’impiego della robotica autonoma nell’eolico offshore, nell’ispezione mineraria e per lo smantellamento nucleare.
• Il futuro della ricerca nella robotica intelligente vedrà una collaborazione sinergica tra differenti tipi di robot per operazioni di O&M.

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Eolico offshore, ma anche siti nucleari e miniere: l’impiego dell’intelligenza artificiale per O&M in ambienti estremi diventa cruciale. Stiamo parlando di interventi di Operation and Maintenance, ma anche di ispezione. In tutti questi casi diventeranno preziosi robot autonomi, in grado di svolgere operazioni ad altissimo rischio per gli esseri umani.

Progettare soluzioni di robotica intelligente, capace di riparare una pala o una turbina eolica come di introdursi in miniere abbandonate per comprendere il loro stato e gli eventuali rischi di collasso è una sfida che la ricerca sta per vincere. Lo dimostrano gli esiti di tre progetti avviati nel Regno Unito, finanziati dall’industria e dalle Agenzia Istituzionali per l’Innovazione (Innovate UK):

• MIMRee, prima piattaforma multi-robot completamente autonoma per l’ispezione, la manutenzione e la riparazione di turbine eoliche off-shore
• Connect-R, per la progettazione di robot modulari autocostruiti per lo smantellamento nucleare
• Prometheus, dedicato alla ideazione di robot completamente autonomi per indagini geotecniche in miniere

A tutti e tre i progetti lavora una scienziata italiana, Sara Bernardini, professoressa di Intelligenza Artificiale alla Royal Holloway University di Londra. La sua ricerca combina AI, robotica avanzata e ottimizzazione matematica, concentrandosi sulla progettazione e l’ingegneria di sistemi intelligenti e autonomi per applicazioni complesse del mondo reale.

La sua ricerca è particolarmente preziosa non solo per spingere sempre più in là le potenzialità della robotica in ambienti estremi, ma anche per le implicazioni economiche che può avere. Solo per l’energia eolica, i costi di O&M dei parchi eolici offshore possono essere compresi tra 0,027 e 0,048 dollari/kWh (dati IRENA).

Ci sono poi da considerare gli impatti del cambiamento climatico sulle future operazioni e manutenzione dell’eolico offshore che, come ha mostrato un recente studio presentato da Copernicus, rendono rilevante per la pianificazione strategica per i prossimi 20-30 anni.

Ma soprattutto, si deve considerare solo a livello europeo, l’espansione prevista dall’UE nella strategia dedicata alle fonti rinnovabili offshore (in primis l’eolico), passando dai 12 GW attuali ad almeno 60 GW entro il 2030 fino a 300 GW entro il 2050.

L’Offshore Renewable Energy (ORE) Catapult stima che il sistema MIMRee ridurrà il costo del funzionamento e della manutenzione di un parco eolico offshore di 26 milioni di sterline.

Intelligenza artificiale per O&M: la progettazione di robot autonomi

Per comprendere come applicare tecniche di intelligenza artificiale per O&M in ambienti estremi è bene comprendere cosa siano questi ultimi. Essi comprendono tutti gli ambienti in cui la presenza umana è impraticabile o ad alto rischio: senza considerare le missioni spaziali, pensiamo per esempio agli interventi di manutenzione nell’eolico offshore, oppure in siti nucleari oppure nelle miniere, oppure ancora in casi di eventi come sismi o nubifragi.

Il robot in questi casi – come anche nello spazio – è un alleato prezioso. Tuttavia, non si può pensare a un singolo tecnico che segua ogni turbina e svolga ispezioni o manutenzioni: considerando le svariate decine di turbine che sorgono in ogni parco eolico diventa un’operazione complessa ma soprattutto economicamente onerosa.

Servono quindi robot autonomi, in alcuni casi di differenti tipi per svolgere un intervento combinato. Autonomia significa intelligenza, ovvero capacità di adattarsi alla situazione in modo rapido e indipendente, dovendo affrontare ambienti complessi, o addirittura sconosciuti, ricchi di criticità e variabili e prendere decisioni in modo rapido ed efficiente.

Nel caso del progetto MIMRee, per esempio, si tratta di missioni completamente autonome relative a compiti di ispezione, manutenzione e riparazione nei parchi eolici offshore. “Si tratta del primo progetto al mondo che realizza un intervento di manutenzione completamente autonoma, dal trasporto dei robot al luogo fino all’intervento vero e proprio di ispezione, manutenzione e riparazione” evidenzia la docente di Artificial Intelligence, nonché co-PI (Principal Investigator) del progetto.

Un’imbarcazione senza pilota porta i droni al parco eolico: da qui si alzano in volo, recando con loro robot addetti alla riparazione che si arrampicano sulle pale per svolgere interventi di Operation and Maintenance.

AI per robot autonomi: il ruolo della tecnologia

Come viene applicata allora l’intelligenza artificiale per O&M in ambienti estremi?

“Si impiegano molte tecniche, che comprendono AI, Machine Learning e Deep Learning. Nei tre progetti di cui mi occupo adottiamo AI Planning, ovvero tecniche di pianificazione automatica, una particolare branca dell’intelligenza artificiale per attività di problem solving. In questo senso il robot analizza la situazione e crea un piano ad hoc per affrontarla sotto forma di azioni di alto livello”

spiega la professoressa Bernardini.

L’AI planning comprende la fase di mission planning, relativa a interventi anche di lungo periodo (nel caso delle turbine eoliche le missioni possono durare anche sei mesi) e la fase di task planning, che stabilisce le azioni pratiche relative da svolgere nell’ambiente.

Un obiettivo di lunga data dell’AI è permettere ai robot di pianificare di fronte a informazioni incerte e incomplete, e di gestire in modo intelligente il successo o il fallimento dei compiti.

Ì”A questo proposito vengono attuate tecniche di Machine Learning e Deep Learning su task specifici (visione, manipolazione ecc.) mentre per la parte di ragionamento e di pianificazione si adottano tecniche di ottimizzazione combinatoria, (AI planning), oltre ad altre tecniche più specifiche, per esempio SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) per missioni di esplorazione”.

SLAM intende rendere possibile per un veicolo in un ambiente sconosciuto, costruire una mappa dell’ambiente e utilizzarla per localizzarsi. Ciò avviene, per esempio, nel progetto PROMETEUS, che ha per oggetto la realizzazione di un drone programmato per l’ispezione di vecchie miniere in prossimità ai binari, in modo da verificare le loro condizioni e comprendere i fattori di rischio per l’infrastruttura ferroviaria.

L’ispezione delle vecchie miniere è un compito difficile, lungo e costoso, poiché i metodi tradizionali richiedono l’esecuzione di più fori di trivellazione per consentire il posizionamento di sensori nei i vuoti. Grazie al lavoro di ricerca svolto dal team di ricerca, il drone viene introdotto nell’accesso della miniera, attraverso un unico foro di entrata e di uscita: una volta dentro esso dispiega le ali e si muove all’interno.

Ma anche nel caso di CONNECT-R, riguardante modalità di intervento in aree nucleari, la possibilità di impiegare l’intelligenza artificiale per O&M in ambienti estremi è essenziale, dato che lo smantellamento e la manutenzione nell’industria nucleare, petrolifera e del gas comportano una serie di sfide particolarmente impegnative a cominciare dal contesto in cui operare, caratterizzato dalla presenza di sostanze chimiche pericolose o di elementi tossici o contaminati.

Intelligenza artificiale per O&M: gli impatti della robotica autonoma negli ambienti estremi

L’applicazione di robot debitamente preparati grazie all’impiego di tecniche di intelligenza artificiale per O&M in ambienti estremi è un ambito molto promettente. In primo luogo, le aziende ne beneficiano sia in termini di efficienza del lavoro, che solo un robot può svolgere in ambienti altamente critici, sia per garantire il pieno rispetto della sicurezza sul lavoro e la tutela dei lavoratori.

Inoltre il fattore economico è essenziale: impiegare robot intelligenti in determinati contesti permette di ridurre i costi e i tempi di lavoro. Solo considerando l’interesse crescente per l’eolico offshore, nel Regno Unito, in Unione Europea e negli Stati Uniti, significa lo sviluppo di impianti e la conseguente necessità di svolgere manutenzione su centinaia di turbine.

Un obiettivo che diventa possibile, contando su squadre robotiche in grado di svolgere autonomamente interventi di Operation and Maintenance, con una supervisione umana di massima.

“Per le aziende la robotica diventa fondamentale per attuare economie di scala”, sintetizza la scienziata italiana che si è occupata in tre progetti di ricerca applicata finanziati in buona parte da aziende. Ma il futuro quali prospettive porta in questo campo?

“Prevedo che si potrà assistere a una collaborazione sinergica tra differenti tipi di robot. Questa sarà una delle sfide più importanti. Si pensi al momento in cui essi vengono a contatto. L’interazione fisica implica una serie di complessità, che richiederà anche l’impiego di task specifici e di conseguenza l’impiego diffuso dell’intelligenza artificiale, tra cui tecniche di Machine Learning e Deep Learning“