Lo studio della robotica, e della robotica umanoide in particolare, è tutto proteso all’identificazione di soluzioni a problemi concreti dell’essere umano. Sia nel breve che nel medio periodo dovremo imparare a convivere con l’idea di macchine intelligenti che ci supportano nelle attività quotidiane. Nulla di stravolgente, perché si tratterà sempre e comunque di manufatti ideati dall’uomo, ma certamente qualcosa di molto utile al miglioramento della qualità della vita, del lavoro, della salute e dell’ invecchiamento.
Cervello umano e robot umanoidi
Avvicinarsi alle capacità computazionali del cervello umano richiede l’utilizzo di supercomputer che consumano Megawatt. Inoltre gli esseri umani hanno sistemi di attuazione che sono progettati per ottimizzare le funzionalità del cervello: i muscoli, i nervi e i sensi si sono evoluti per essere perfettamente sinergici alla plasticità neurale ed alla capacità di apprendere del cervello arrivando alla cosiddetta “orchestrazione tra corpo e mente”. Esistono gruppi di neuroni che sovraintendono azioni sinergiche come il movimento di presa della mano e il riconoscimento visivo degli oggetti (oppure la comprensione della linguaggio e il controllo dei muscoli della lingua). I sistemi meccanici e gli attuatori non funzionano nella stessa maniera e questa è la ragione per cui la tecnologia utilizzata per i robot umanoidi è molto più della semplice combinazione di attuatori e sensori.
Oltre queste considerazioni è quindi interessante verificare quanto è stato realizzato fino ad oggi in questo ambito per poter approfondire attraverso l’analisi dello stato dell’arte lo sviluppo e le applicazioni dei robot umanoidi.
iCub e la robotica umanoide
La piattaforma di ricerca per la robotica umanoide più diffusa al mondo è iCub il robot umanoide, ideato e creato in IIT e prodotto in oltre 40 esemplari, che integra l’utilizzo di nuovi materiali e soluzioni tecnologiche allo stato dell’arte sia nella parte hardware che in quella software. iCub è una piattaforma open source i cui aggiornamenti sviluppati in IIT sono condivisi con una community di ricercatori distribuiti in circa 30 laboratori tra Europa, Usa, Giappone e Sud Corea che la usano per i loro studi sull’intelligenza artificiale. iCub ha le sembianze di un bambino di 5 anni, è alto circa un metro, pesa 27 chili ed è dotato di 53 gradi di libertà, la maggior parte dei quali sono nelle braccia e nelle mani per consentire azioni di presa e di manipolazione fine degli oggetti. Questo robot possiede telecamere neuromorfe che riproducono la vista, microfoni per la ricezione di suoni, sensori inerziali che riproducono il senso dell’equilibrio e sensori tattili e di forza per misurare l’interazione con l’ambiente.
E’ l’unico robot al mondo ad avere il corpo ricoperto di una pelle artificiale composta da 4.000 sensori tattili che permettono di capire se e come viene toccato dall’uomo e di rispondere in maniera adeguata allo stimolo tattile ricevuto. Grazie alla pelle artificiale iCub può sentire il contatto con le persone, gli oggetti e avvertire gli stimoli esterni. iCub è in grado di vedere l’ambiente che lo circonda, riconoscere oggetti e afferrarli su richiesta, rispondere a semplici comandi vocali e di mantenere l’equilibrio sulle proprie gambe quando viene spinto.
Il lavoro svolto su iCub rappresenta un ambito della ricerca molto importante non solo per avere un giorno dei robot umanoidi che saranno in grado di assisterci nella vita di tutti i giorni ma soprattutto perché grazie ai cosiddetti “low hanging fruits” (i frutti collaterali più raggiungibili nell’immediato) della ricerca nel campo della robotica umanoide nascono dispostivi e tecnologie con applicazioni in ambito riabilitativo, protesico, chirurgico e assistivo che hanno una ricaduta immediata sulla nostra vita, sul sistema sanitario e sul tessuto economico del Paese.
I robot in supporto di una popolazione che invecchia
Le proiezioni indicano che nel 2060 un terzo degli europei sarà più che sessantacinquenne, contro l’attuale 18%. Il rapporto fra cittadini lavoratori (fra i 19 e i 65 anni) e i cittadini non attivi e pensionati (oltre i 65 anni) salirà dall’attuale 26% ad oltre il 50%. Nel prossimo futuro, in una società che invecchia rapidamente e cresce numericamente, i robot saranno una tecnologia indispensabile, per supportare gli esseri umani come forza lavoro ma anche oggi le esigenze di una popolazione più longeva che raggiunge anche una quarta età, rappresentano una sfida tutta da affrontare. In primo luogo la sofisticatissima biomeccanica degli umanoidi (e la sensoristica ad essa associata) potrà essere trasferita su macchine intelligenti che verranno utilizzate per la riabilitazione di specifici distretti del corpo umano per fini riabilitativi.
La riabilitazione robotica
La riabilitazione robotica consentirà la parallelizzazione delle terapie, con un importante abbattimento dei costi, e la misura quantitativa del recupero funzionale del paziente. Il tutto sotto la guida del medico e del fisioterapista che potrà avvalersi di macchine dedicate che riporteranno i dati automaticamente nei file di ciascun paziente. Analogamente arti prostetici ed esoscheletri potranno essere derivati dal corpo del robot per il supporto a pazienti che hanno perso la mobilità o per l’aiuto agli umani in operazioni e lavori gravosi.
Le batterie di ultima generazione e la meccatronica degli umanoidi più recenti consentono autonomie di circa 2 ore, con capacità dell’ordine di 700 Watt/h a fronte di aggravi di peso ragionevoli, sfruttando sensori mioelettrici ad alta sensibilità che possono essere localizzati sul corpo del paziente (o dell’utente) in maniera personalizzata.
Rehab Technologies
La riabilitazione robotica è uno dei principali programmi di ricerca sviluppato nei laboratori dell’Istituto Italiano di Tecnologia. Da questo ambito di ricerca è nato nel 2013 Rehab Technologies, il laboratorio congiunto fra IIT ed INAIL, per lo sviluppo e la realizzazione di nuovi dispositivi protesici, ortesici e riabilitativi ad elevato contenuto tecnologico che permettano all’uomo di migliorare la propria qualità della vita, eliminando le barriere derivanti da inabilità temporanee o permanenti. In questo ambito è stato sviluppato l’esoscheletro per arti inferiori e la più recente protesi poliarticolata per arti superiori, Hannes, già riconosciuto prodotto CE di primo livello e presente sul mercato a partire dal 2019. In questo contesto, prima sotto forma di start up e poi come vera e propria medical company è nata Movendo che ha prodotto Hunova, il dispositivo robotico per la riabilitazione e la valutazione funzionale senso motoria di arti inferiori e tronco. La macchina, le cui tecnologie sono coperte da brevetti internazionali, ha recentemente ottenuto la Marcatura CE per l’Europa e la FDA per gli USA e si rivolge al mercato mondiale (Europa, Asia e Stati Uniti). Hunova consente ai medici e ai fisioterapisti di misurare, predire e prevenire molte patologie in ambito geriatrico.
La robotica assistiva
Per quanto riguarda la robotica assistiva, la sfida si sposta verso robot a basso costo che possano affiancare gli umani in attività di lavoro, nella clinica, a casa o nelle attività ricreative. In IIT si è partiti dalla tecnologia di iCub, per sviluppare R1, un umanoide personale destinato ad affiancarci nella vita di tutti i giorni. R1 è stato pensato come una piattaforma robotica semplice, con oltre 75% di componenti in plastica, dotata di ruote invece che di gambe, e di arti e corpo estensibili per poter raggiungere altezze da umano adulto, pur rimanendo alto intorno ai 130 cm in condizioni normali. Al momento R1 viene sperimentato nel contesto di un laboratorio congiunto di IIT con la Fondazione Don Gnocchi per la tele-riabilitazione e nel ruolo di assistente sanitario, e sono in programma esperimenti di interazione sociale con umani nei settori della vendita e grande distribuzione e nell’assistenza in casa.
La robotica chirurgica
Concludiamo questa breve panoramica, citando la forte espansione della robotica chirurgica. La robotica chirurgica sviluppa strumenti mini invasivi ad altissima precisione che consentono di potenziare le capacità di un chirurgo indipendentemente dalla sua età. Nei laboratori IIT si stanno sperimentando robot chirurgici endoscopici miniaturizzati che sfruttano un bisturi laser con delle tecnologie di beam-shaping innovative. Il chirurgo è immerso nella visione endoscopica e opera con un tablet e una penna direttamente sull’immagine endoscopica in tempo reale. Il robot è dotato di intelligenza artificiale per il riconoscimento dei tessuti, per la creazione di zone di sicurezza nel campo operatorio (per esempio riconoscimento di nervi o vasi sanguigni sui quali il fascio laser viene comunque inibito) consentendo precisioni elevatissime sia laterali che in profondità (dell’ordine dei micron). Inoltre, questi sistemi possono essere utilizzati in remoto sfruttando infrastrutture di rete di ultima generazione (5G) per rendere possibili le operazioni a distanza.
