I robot per la gestione dei magazzini, con il boom dell’e-commerce, hanno conosciuto uno sviluppo notevole. Per la loro evoluzione, la ricerca lavora su vari filoni, compresi quelli bio-ispired.

TAKEAWAY

• I robot trovano sempre maggiore spazio e impiego nella logistica, come evidenziano le strategie di colossi quali Amazon e Walmart, mirate a diffondere sistemi robotici per gestire i magazzini. Solo per i robot mobili – mercato molto dinamico – si prevedono ricavi a livello globale pari a 18 miliardi di dollari nel 2025.
• I robot nei magazzini sono presenti da tempo, ma con la crescita dell’e-commerce – complice la pandemia – hanno conosciuto una diffusione straordinaria, così come la loro evoluzione tecnologica negli ultimi 20/30 anni, dovuta a un sempre maggiore impiego dell’AI.
• Per mettere a punto sistemi robotici intelligenti e autonomi, la ricerca lavora su diversi fronti. Tra i filoni più originali, ne vanno segnalati almeno due ispirati alla natura, in particolare alla simbiosi e allo sciame.

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La diffusione della robotica nella logistica trova molteplici riscontri. Uno dei più recenti riguarda Amazon, colosso di e-commerce nonché il più importante investitore al mondo in robot per la gestione dei magazzini, con il 38% degli investimenti complessivi nel settore. La scorsa primavera ha annunciato l’avvio di un fondo per l’innovazione industriale da 1 miliardo di dollari per sostenere aziende di robotica.

In questa direzione va vista anche l’ultima acquisizione, avvenuta a settembre, della società belga Cloostermans, specializzata in soluzioni tecnologiche per l’automazione dei magazzini. Entrerà a fare parte di Amazon Robotics, la divisione creata per sviluppare sistemi di evasione ordini mediante robot mobili.

Anche Walmart, la più grande catena al mondo nella GDO, punta a una maggiore diffusione dei robot in magazzino. Per questo ha ampliato la sua partnership con il gruppo Symbotic, specializzato in tecnologie per la supply chain basate sull’intelligenza artificiale, per diffondere soluzioni robotiche e piattaforme di automazione software in tutti i suoi 42 centri di distribuzione negli Stati Uniti.

Il sistema di Symbotic è dotato di tecnologie abilitate alla visione che semplificano il processo di evasione degli ordini, di bracci robotici per imballare e disimballare gli articoli, oltre che di robot mobili. Proprio su questi ultimi si registra un interesse crescente: secondo stime di Interact Analysis, i ricavi relativi al mercato dei robot mobili raggiungeranno i 18 miliardi di dollari nel 2025. La stessa società di analisi, in un altro report, prevede che nei prossimi tre anni saranno venduti quasi 2,1 milioni di robot mobili, di cui quasi 860mila solo nel 2025.

Perché c’è tanto bisogno di robot nei magazzini? Per soddisfare la necessità di automazione all’interno delle infrastrutture logistiche, il cui numero è previsto anch’esso in forte aumento: sempre secondo Interact Analysis, il numero di magazzini a livello globale passerà da circa 150.600 del 2020 a 180mila entro il 2025.

Le conferme di questa tendenza sono molteplici: un’indagine di Material Handling Institute rileva che l’adozione della robotica nella logistica aumenterà del 50% o più nei prossimi cinque anni.

Sono in molti a scommettere che la robotica cambierà il modo in cui i magazzini vengono gestiti e progettati. Per riuscirci, ci sarà sempre più bisogno della ricerca, affinché vengano messe a punto soluzioni tecnologiche sempre più performanti e “intelligenti” [per approfondimenti, consigliamo la lettura della nostra guida alla robotica, che spiega come funziona e quali sono gli esempi applicativi – ndr].

Robot in magazzino: cosa fanno e quali tipologie vengono impiegate

Le soluzioni di robotica per la logistica e l’automazione non sono certo una novità. Pensiamo ai nastri trasportatori, agli scanner e ad altre innovazioni che hanno contribuito all’evoluzione del comparto e hanno permesso di rispondere alle sempre crescenti esigenze di velocità nello smaltimento degli ordini.

Ma il ritmo degli investimenti e dei cambiamenti dovuti alla crescita esponenziale dell’e-commerce negli ultimi due anni – causata dalla pandemia – e la stessa necessità di fare fronte allo smaltimento delle commesse in modo sempre più rapido ed efficace, hanno determinato un incremento drastico del loro impiego.

Da qui la sempre maggiore richiesta di robot e di sistemi di automazione, la cui presenza nei magazzini è storica. Pensiamo ai robot mobili autonomi (o Autonomous Mobile Robot – AMR): i primi, rudimentali, esemplari furono inventati dal neurofisiologo britannico William Grey Walter nel XX secolo, a cavallo degli anni Quaranta e Cinquanta.

Sebbene quei primi robot autonomi fossero piuttosto rozzi rispetto agli attuali robot guidati dall’intelligenza artificiale, hanno gettato le basi per il loro sensibile progresso. Il fattore AI ha impresso un’accelerazione notevole alla loro evoluzione e così si spiega il cambiamento radicale negli ultimi 30 anni degli AMR. Per certi aspetti, essi vengono comparati ai veicoli a guida automatica (AGV), soluzioni di automazione che permettono anch’esse di trasportare materiali all’interno di un magazzino. Ma gli Autonomous Mobile Robot sono molto più avanzati tecnologicamente.

I cobot e la collaborazione con gli operatori umani

Tra i sistemi di robotica nella logistica più conosciuti e diffusi ci sono i cobot, robot collaborativi. Si tratta di robot mobili semi-autonomi progettati per aiutare gli operatori umani a svolgere diversi compiti nell’ambiente di magazzino, collaborando e interagendo con loro. Alcuni seguono gli addetti in tutto il magazzino e fungono da contenitori mobili per gli ordini prelevati. Altri svolgono compiti anche più avanzati.

I cobot sono dotati di sensori che consentono loro di distinguere ostacoli vari, garantendo così una navigazione accurata nella struttura. La ricerca, a questo proposito lavora da tempo per migliorare questo rapporto tra uomo e macchina. Ricordiamo, a questo proposito il progetto europeo MindBot, ideato e coordinato dall’Istituto IRCCS Eugenio Medea.

Tra le soluzioni per l’automazione logistica vanno citati anche i sistemi automatici di stoccaggio e prelievo (AS/RS, Automated Storage and Retrieval System). Si tratta di sistemi assistiti da computer e robot in grado di recuperare articoli o di immagazzinarli in specifiche aree, aiutando ad automatizzare la gestione dell’inventario e a immagazzinare/recuperare le merci su richiesta.

Robotica nella logistica: la crescita è trainata dall’AI

La chiave di volta per il crescente impiego della robotica nella logistica la si deve all’impiego sempre più diffuso di tecniche di intelligenza artificiale. I filoni di ricerca dedicati si moltiplicano. 

Tra questi va segnalato il lavoro svolto negli Stati Uniti presso il Manufacturing Future’s Institute (MFI) della Carnegie Mellon University. Qui un team di ingegneri e informatici opera sui robot da magazzino del futuro.

La ricerca si focalizza sullo sviluppo di varie soluzioni, come il Multi-Agent Path Planning with Evolutionary Reinforcement (MAPPER), un metodo basato sul reinforcement learning che consente ai robot di effettuare un’esplorazione autonoma e di auto apprendimento.

I robot prendono invece decisioni indipendenti basate sulle loro osservazioni locali. Queste loro capacità permetteranno sempre più ai sensori di bordo di osservare ostacoli dinamici in un raggio sempre più ampio. Ma con l’apprendimento rinforzato, i robot potranno evolvere nell’apprendimento, in modo da gestire situazioni sempre più complesse.

Questi robot intelligenti potranno consentire ai magazzini di impiegare grandi flotte di robot in modo più semplice, rapido ed economico, anche a livello di efficienza energetica. Infatti, sarà possibile ridurre il consumo di energia nel momento in cui i robot percorrono distanze più brevi, perché sono in grado di imparare autonomamente a pianificare i propri percorsi in modo da risparmiare energia.

Inoltre, l’impostazione decentralizzata ridurrà l’energia necessaria al calcolo e alla comunicazione richiesta dai classici metodi centralizzati.

Un’altra base di ricerca sviluppata al MFI fa riferimento al metodo Context-Aware Safe Reinforcement Learning(CASRL), un framework di meta-apprendimento grazie al quale i robot possono imparare ad adattarsi in modo sicuro ai disturbi non stazionari che si verificano nell’ambiente in cui circolano.

Per mezzo del metodo CASRL, i robot possono imparare a navigare in sicurezza in situazioni complesse o in presenza di imprevisti, presenti ovunque nelle applicazioni del mondo reale e che presentano infinite variazioni di scenari.

Ma nel futuro della gestione logistica entrano in gioco altre opportunità su cui lavoreranno gli scienziati della Carnegie Mellon: un nuovo progetto, in particolare, si baserà sulla generazione di digital twins e contesti di metaverso critici per la sicurezza, fondamentali per lo sviluppo di robot di produzione sempre più intelligenti e affidabili.

Il futuro della robotica nella logistica: dagli algoritmi euristici…

Le esigenze cui dovrà rispondere la ricerca in materia di robotica per la logistica riguardano i sistemi di evasione mobile robotizzati, che devono essere ottimizzati per rispondere alla necessità di sbrigare la gestione degli ordini in modo sempre più rapido e preciso.

Per riuscirci, i movimenti dei robot devono essere ulteriormente ottimizzati. Su questo lavora il team di ricerca guidato da Yanling Zhuang, della Dalian University of Technology in Cina, la cui ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di modelli e algoritmi per aumentare l’efficienza dei sistemi robotici.

In particolare, Zhuang sta mettendo a punto un sistema di evasione mobile robotizzato con più stazioni di prelievo come un modello di programmazione mista. Insieme al proprio team ha poi introdotto un algoritmo euristico per generare le sequenze di ordini e scaffali in più stazioni di prelievo. Utilizzando dati reali, ha testato le prestazioni dei metodi proposti. I risultati, a detta della ricercatrice, sono sorprendenti.

… ai metodi ispirati alla natura: simbiosi e sciami

Sempre a proposito di nuove frontiere di ricerca sulla robotica nella logistica, ricordiamo due filoni di ricerca ispirati dalla natura. Il primo prende spunto dalla simbiosi, ovvero dalla convivenza e dalla cooperazione tra due esseri viventi, come quella tra formiche e afidi.

È finalizzato alla semplificazione delle consegne e della gestione in magazzino e su di esso lavora un team di ricerca guidato da John Gunnar Carlsson, docente di Ingegneria industriale e dei sistemi presso l’University of Southern California.

Per sviluppare tecniche di ottimizzazione che contribuiscano a rendere possibile questo nuovo scenario, ha appena ricevuto un finanziamento di 200mila dollari dalla Raymond Corporation di Toyota.

Nel corso del 2023, Carlsson progetterà una struttura per dimostrare come flotte di “veicoli ausiliari”, come robot automatizzati a terra o droni aerei, possano lavorare in modo rapido ed efficace in tandem, con un veicolo di consegna più grande in contesti come i magazzini automatizzati.

Il sistema messo a punto dallo scienziato è chiamato symbiotic vehicle routing, una sorta di versione evoluta dell’instradamento dei veicoli. Lo stesso docente spiega così il suo funzionamento: «in un sistema simbiotico, si potrebbe contare su un grande carrello elevatore che circola insieme a piccoli robot a terra che trasportano i singoli articoli e li depositano dove serve».

Carlsson e il suo team utilizzeranno un algoritmo per abilitare il sistema di routing simbiotico, in cui un grande veicolo ospite in un magazzino può spostare un intero scaffale mentre viene assistito da una flotta di AGV “aiutanti” che prelevano singoli articoli. L’algoritmo, già progettato, sarà utilizzato dal team in esperimenti finalizzati a trovare i percorsi più efficaci tra l’ospite e gli aiutanti.

In questa prospettiva di mutua collaborazione tra sistemi di automazione, si pone un altro filone di ricerca che guarda, in questo caso, agli sciami. Stiamo parlando degli swarm robot: già in questo senso ci sono impieghi concreti nel Regno Unito con Ocado, specialista di piattaforme software e robotiche a guida tecnologica che fornisce soluzioni per la vendita di generi alimentari online.