L’ambito più avanzato della robotica si chiama swarm robotics, si ispira alla natura e può avere effetti positivi su molti comparti, dall’industria alla medicina. Al centro c’è l’Intelligenza artificiale e le innumerevoli potenzialità da essa offerte per lo sviluppo degli sciami di robot.

La swarm intelligence applicata alla robotica è pronta ad aiutare l’uomo, garantendogli migliori condizioni di salute e di sopravvivenza. Suona esagerato? No, se pensiamo alle potenzialità di impiego di uno sciame di robot: potrebbero entrare in gioco dopo terremoti, uragani o un importante sversamento d’inquinanti per fornire aiuto in molteplici modi, soprattutto giungendo in ambienti altrimenti inaccessibili.

Non solo: in medicina si stanno già intravvedendo potenziali impieghi di enorme importanza, come pure nella agricoltura di precisione o nell’industria. Per comprendere il grado di interesse che c’è sulla robotica di sciame basti dire che, a livello globale, la smart manufacturing passerà da quasi 205 miliardi di dollari raggiunti nel 2019 a 506 miliardi nel 2027.

Secondo Fortune Business Insights, questa crescita sarà dovuta alla crescente adozione di tecnologie robotiche quali, appunto, gli swarm robot oltre ai robot autonomi e ai cobot, ovvero i robot industriali collaborativi.

Swarm intelligence: cos’è, quando nasce e perché si ispira alla natura

Chi di noi, osservando uno sciame d’insetti, una colonia di formiche oppure uno stormo di uccelli o un banco di pesci non rimane talvolta piacevolmente stupito della capacità di muoversi simultaneamente e in ordine, affrontando situazioni anche assai critiche? Insetti e animali mostrano in pratica un comportamento collettivo, il risultato di una forma d’intelligenza non basata sulle capacità di un singolo individuo quanto su quella congiunta di diversi soggetti, in grado di interagire tra loro e con l’ambiente in cui vivono.

Questa capacità, risultato dell’evoluzione naturale, ha permesso a insetti e ad animali sociali di sviluppare meccanismi utili a farli vivere in ambienti ostili, dinamici e incerti. Questi comportamenti collettivi sono passati dalla biologia alla robotica. Risale al 1988 il termine swarm intelligence, ovvero intelligenza artificiale di sciame: esso prende in considerazione lo studio dei sistemi auto-organizzati, nei quali un’azione complessa deriva da un’intelligenza collettiva.

Ma cos’è allora la swarm robotics? Lo spiega Vito Trianni, ricercatore dell’Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione (ISTC) del CNR ed esperto di sistemi robotici distribuiti e sciami di robot:

“Con robotica di sciame ci si riferisce a un campo di ricerca abbastanza ampio che guarda allo studio e all’implementazione di sistemi robotici composti da molteplici unità. Ogni singola unità è autonoma, ossia in grado di prendere decisioni in base ad un algoritmo predefinito e alle informazioni che riesce a cogliere autonomamente dall’ambiente tramite sensori. Un’altra caratteristica peculiare degli swarm robot è la capacità di interagire tra loro tramite una rete di comunicazione o mediante interazioni fisiche”

Cosa differenzia gli swarm robot dai sistemi multi-robot già oggi in campo? L’auto-organizzazione. Questi sistemi, infatti, si organizzano in maniera totalmente decentralizzata. Per sviluppare gli algoritmi che andranno poi a guidare i robot di sciame si fa riferimento a sistemi già presenti in natura, che forniscono motivi di ispirazione ed esempi molto interessanti di un comportamento complesso.

Un esempio è il lavoro del team di ricercatori dell’Università di Manchester che ha tratto insegnamento dalle formiche per perfezionare una tecnica di comunicazione per gli sciami robot basata sulla modalità di rilascio di feromoni, grazie alla quale i singoli robot potrebbero essere in grado di comunicare tra loro in aree geografiche lontane.

Intelligenza artificiale e swarm robotics, un legame in via di sviluppo

Come detto, la swarm robotics nasce, concettualmente, dalla swarm intelligence, che è lo studio dell’intelligenza collettiva riferita agli sciami, ai sistemi distribuiti decentralizzati, alla capacità di sistemi complessi di mostrare delle capacità cognitive.

“Sotto questo punto di vista essa è una sotto area dell’Artificial Intelligence – specifica ancora Trianni – Più precisamente, è uno dei tanti campi di studio dell’ecosistema AI e può sfruttare tecniche, sviluppate in altri campi, come il Machine learning per migliorare il modo in cui i sistemi vengono progettati. Per esempio, si possono studiare algoritmi genetici o evolutivi o di apprendimento automatico per sviluppare il comportamento degli sciami di robot“.

Ma nello sviluppo della robotica di sciame (o, come riporta Wikipedia, robotica degli sciami), si può anche applicare il Deep learning e impiegare reti neurali per fornire una visione avanzata a questi robot e consentire un più ricco scambio di informazioni tra i robot, facilitando lo sviluppo di strategie collettive complesse. 

Interazione con l’ambiente: ecco da dove traggono le informazioni gli sciami di robot

Uno sciame di robot è costituito da tante unità autonome in grado di percepire ciò che avviene nell’ambiente: le informazioni, quindi, vengono captate direttamente da ognuno dei componenti sul campo d’azione.

L’interazione sciame-ambiente avviene grazie alle capacità sensoriali dei robot. Dipende quindi dal grado di complessità tecnologica la possibilità di ottenere informazioni. La gamma di robot costituenti uno sciame è vasta: si va dai minimalisti, dotati cioè di pochi sensori a infrarossi utili giusto per comprendere la presenza o meno di un ostacolo, fino a macchine capaci di visione e di interpretazione del mondo.

Le informazioni raccolte dai singoli possono essere processate e comunicate agli altri sotto forma di segnali più o meno complessi che servono poi al gruppo per organizzarsi, cooperare e portare avanti in maniera coordinata il compito assegnato. Quindi il flusso di informazioni avviene attraverso i sensori e poi grazie alla capacità di comunicazione tra robot. 

Robotica e swarm robot: dall’industria 4.0 alla cura dei boschi fino alla medicina

Le potenzialità di impiego degli sciami di robot sono davvero tante. A partire dall’impiego militare fino al mondo industriale, c’è solo l’imbarazzo della scelta. Prendiamo, a esempio, il comparto produttivo e le potenzialità offerte dall’Industry 4.0.

Essa fa riferimento all’impiego combinato di tecnologie come Internet of Things, Big Data, cloud computing, robotica e AI per permettere di attuare processi industriali più intelligenti, produttivi, efficienti e adattabili. Si tratta, quindi, di un ambito potenzialmente interessante di impiego di sciami robot. Qualcuno già ha provato a metterlo in pratica.

Come fa sapere il sito web istituzionale del Governo del Regno Unito, il rivenditore di alimentari online britannico Ocado (più di 600mila clienti attivi in UK) ha messo a punto un sistema altamente automatizzato che in pratica permette di smaltire 65mila ordini alla settimana nel proprio centro di smistamento grazie a robot che si muovono in ottica di sciame grazie a un sistema gestionale radiocomandato che si sposta ad alta velocità nel magazzino. Per comunicare con i robot, Ocado Technology si serve di un sistema basato sulla tecnologia 4G che funziona nella banda di frequenza Wi-Fi.

Secondo la società, il protocollo di comunicazione garantisce una connessione 10 volte al secondo a ciascuno dei circa 1.000 robot controllati da un’unica stazione base, tutti operanti nel raggio di 150 metri.

Dagli alimentari all’aeronautica, va segnalato il caso di Rolls-Royce, che ha avviato da tempo una collaborazione con le università di Harvard e di Nottingham per sviluppare mini swarm robot (10 mm di diametro) pensati per svolgere un’ispezione visiva delle aree difficili da raggiungere del motore. Questi robot avrebbero trasportato piccole telecamere che forniscono all’operatore un feed video in diretta, permettendogli di completare una rapida ispezione visiva del motore senza doverlo rimuovere dall’aereo. 

La robotica di sciame è altrettanto preziosa per la tutela di boschi e foreste. È l’idea alla base di Treeswift, spin-off dello statunitense GRASP Lab (General Robotica, Automation, Sensing and Perception laboratory) della Penn Engineering – University of Pennsylvania. Un’idea apparentemente semplice: utilizzare strumenti robotizzati per automatizzare la silvicoltura e ridurre i rischi per i lavoratori umani.

Treeswift utilizza sciami di robot autonomi e volanti dotati di sensori LiDAR per monitorare, inventariare e mappare i boschi. I droni raccolgono immagini del terreno e le rendono in mappe 3D che possono essere analizzate per misurazioni precise e quantificabili della biomassa di una data foresta.

Le applicazioni più futuristiche anche nella medicina fanno già intravedere potenzialità assai interessanti: c’è già chi, come il Max Planck Institute, sta studiando l’impiego di sciami di micro robot per rilasciare farmaci direttamente all’interno del corpo in maniera precisa e più efficace.