La robotica agricola è oggi una delle frontiere più dinamiche della ricerca applicata. In Italia, un percorso iniziato con i robot quadrupedi ad alte prestazioni ha portato allo sviluppo di sistemi capaci di operare autonomamente nei vigneti, aprendo una nuova stagione per l’automazione intelligente in agricoltura.
Indice degli argomenti
Dal laboratorio al campo: come nasce la ricerca sui robot quadrupedi
L’idea alla base dell’unità di ricerca Dynamic Legged Systems nasce nel 2007 attorno a una sfida molto ambiziosa: sviluppare robot quadrupedi ad alte prestazioni, capaci di muoversi in modo agile e controllato in ambienti complessi. All’epoca non esistevano piattaforme robotiche commerciali elettriche come quelle oggi disponibili sul mercato. Chi intendeva fare ricerca sulla locomozione avanzata doveva necessariamente progettare e costruire autonomamente il proprio sistema.
È in questo contesto che nel 2010 nasce HyQ, il nostro primo quadrupede robotico: una piattaforma sviluppata interamente dal nostro gruppo che ci ha consentito di avanzare lo stato dell’arte nel controllo della coppia dei motori, cioè nella gestione precisa della forza esercitata dalle zampe durante il contatto con il terreno, un aspetto fondamentale per garantire stabilità, adattabilità e prestazioni elevate su terreni irregolari, in presenza di ostacoli e in ambienti non strutturati.
Percezione, controllo e IA: l’evoluzione verso robot capaci di decidere
Nel corso degli anni abbiamo integrato in modo sempre più stretto percezione, controllo avanzato e intelligenza artificiale, realizzando robot capaci non solo di muoversi in modo dinamico, ma di comprendere l’ambiente circostante e decidere autonomamente dove e come appoggiare le zampe, adattandosi a terreni complessi e non strutturati.
HyQReal traina un aereo: la dimostrazione italiana di robotica d’eccellenza
Con HyQReal, un altro quadrupede ad attuazione idraulica interamente sviluppato dalla nostra unità in collaborazione con il partner industriale MOOG, abbiamo offerto una dimostrazione concreta di queste capacità nel 2019, quando all’aeroporto di Genova ha trainato un aereo Piaggio P180 Avanti da oltre 3 tonnellate.
Un’impresa dal forte valore simbolico e tecnologico, che ha confermato la capacità dell’Italia di progettare e realizzare sistemi robotici tra i migliori al mondo.
Oltre la meccatronica: applicazioni concrete dalla spazio all’agricoltura
Dopo una prima fase focalizzata sulle prestazioni meccatroniche e sul controllo, il nostro gruppo ha progressivamente orientato le proprie competenze verso applicazioni concrete: dalla teleoperazione in ambienti pericolosi, all’esplorazione spaziale per l’Agenzia Spaziale Europea – ESA e l’Agenzia Spaziale Italiana – ASI, fino all’ambito della sostenibilità ambientale.
In questo percorso, l’agricoltura rappresenta oggi una delle frontiere più promettenti per la robotica avanzata.
Progetto Vinum: intelligenza artificiale e robotica per la potatura della vite
Il progetto Vinum nasce nel 2018 all’interno di un laboratorio congiunto tra il nostro Istituto e l’Università Cattolica del Sacro Cuore. È stato un progetto fortemente voluto dai vertici delle due istituzioni, consapevoli della complementarità tra competenze agronomiche e competenze robotiche. Da una parte la loro consolidata esperienza scientifica nella gestione dei vitigni, dall’altra la nostra competenza in robotica avanzata e intelligenza artificiale.
La potatura invernale, il collo di bottiglia del settore vitivinicolo
Confrontandoci con gli agronomi dell’Università Cattolica, abbiamo individuato una criticità centrale per il settore vitivinicolo: la potatura invernale. Si tratta di una delle operazioni più importanti dell’intero ciclo produttivo. Durante il periodo di riposo vegetativo, tra novembre e febbraio, la vite viene potata con una certa strategia definita in funzione dell’obiettivo enologico. Il numero di gemme lasciate, il diametro dei tralci e lo stato sanitario della pianta sono elementi determinanti per garantire il corretto equilibrio tra quantità e qualità della produzione futura.
È un’operazione altamente selettiva e decisionale, che richiede competenze esperte. Non può essere automatizzata con semplici macchine meccaniche: esistono pre-potatrici che effettuano tagli non selettivi, ma il taglio finale deve essere eseguito da personale qualificato, pianta per pianta. In un contesto di crescente difficoltà nel reperire manodopera specializzata, questa fase rappresenta un vero e proprio collo di bottiglia.
I quattro pilastri tecnologici del sistema Vinum
La sfida di Vinum è stata dunque chiara: sviluppare un sistema robotico intelligente capace di eseguire una potatura selettiva.
Il sistema si basa su quattro pilastri tecnologici fondamentali:
- La visione e la modellazione 3D della pianta. Attraverso telecamere e sistemi di acquisizione, costruiamo un modello tridimensionale della vite, necessario per comprendere la struttura reale su cui intervenire.
- Le reti neurali per il riconoscimento degli organi della pianta. Abbiamo addestrato algoritmi di deep learning su centinaia di immagini annotate manualmente, identificando gemme, tralci e altri elementi rilevanti. L’annotazione consiste nel marcare digitalmente ogni organo sull’immagine, così da permettere alla rete neurale di apprendere e generalizzare su nuove piante.
- La formalizzazione delle regole agronomiche. Matteo Gatti e Stefano Poni, Professori all’Università Cattolica ed esperti di viticoltura, hanno tradotto il processo decisionale della potatura in diagrammi logici. Noi li abbiamo implementati in software: una volta riconosciuti gli organi, il sistema calcola automaticamente i punti di taglio in base ai parametri impostati, come il numero di gemme da lasciare o la strategia produttiva.
- La manipolazione robotica. Un braccio robotico dotato di cesoia esegue fisicamente il taglio, posizionandosi con precisione millimetrica ed evitando ostacoli.
Modularità e adattabilità: lo stesso sistema su piattaforme diverse
Un ulteriore elemento distintivo del sistema è la sua modularità, che costituisce uno dei punti di forza dell’intero progetto. Il braccio potatore racchiude in un unico modulo telecamere, cesoia e unità di calcolo, ed è progettato per essere integrato su diverse piattaforme mobili. Lo abbiamo testato sul nostro robot quadrupede HyQReal, ideale per operare in vigneti con forti pendenze, ma anche su una piattaforma a ruote e su un veicolo cingolato. L’architettura tecnologica resta la stessa: può cambiare il mezzo che si muove tra i filari, ma l’intelligenza che analizza la pianta e decide il taglio rimane invariata.
RAISE e il PNRR: l’ecosistema che ha accelerato il trasferimento tecnologico
Un passaggio decisivo durante la maturazione del progetto è stato l’ingresso in RAISE – Robotics and AI for Socio-economic Empowerment, un Ecosistema dell’Innovazione finanziato dal Ministero dell’Università e della Ricerca nell’ambito del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) e coordinato da CNR, Istituto Italiano di Tecnologia e Università degli Studi di Genova.
RAISE nasce con l’obiettivo di favorire lo sviluppo e il trasferimento sul mercato di soluzioni basate su robotica e intelligenza artificiale, capaci di rispondere in modo concreto alle esigenze produttive e sociali del territorio, rafforzando il legame tra ricerca scientifica, innovazione industriale e impatto reale.
L’ecorobotica: quando robotica e IA si mettono al servizio dell’ambiente
All’interno di questa cornice, le attività legate alla sostenibilità hanno assunto un ruolo centrale. In particolare, lo Spoke 3 “Protezione e cura dell’ambiente” sviluppa attività di ricerca e innovazione che costituiscono la base di una disciplina emergente: l’ecorobotica. Si tratta di un approccio che mette robotica e intelligenza artificiale al servizio dell’ambiente, immaginando nuove strategie per la pianificazione e l’attuazione della gestione sostenibile del territorio.
Vinum si inserisce pienamente in questa visione: non si tratta solo di automatizzare un processo, ma di introdurre strumenti intelligenti in grado di supportare un’agricoltura più efficiente, selettiva e sostenibile.
TRL 5-6: a che punto è la maturità tecnologica di Vinum
Oggi il sistema ha raggiunto un livello di maturità tecnologica compreso tra TRL 5 e TRL 6. Il Technology Readiness Level (TRL) è una scala internazionale a nove livelli utilizzata per misurare il grado di sviluppo di una tecnologia: si parte dai principi di base osservati in laboratorio (TRL 1) fino ad arrivare a un prodotto pienamente validato e pronto per il mercato (TRL 9).
Nel nostro caso, trovarsi tra il livello 5 e 6 significa che la tecnologia è stata validata in un ambiente rilevante e testata in condizioni operative realistiche. Il passo successivo sarà completare il percorso verso la piena industrializzazione, trasformando il prototipo avanzato in un prodotto affidabile, scalabile e commercializzabile.
Dal prototipo alla startup: la nascita di Farmhand Robotics
Per trasformare la tecnologia sviluppata con Vinum in una soluzione industriale, abbiamo avviato un progetto di startup: Farmhand Robotics. Il nome non è casuale. Non vogliamo limitarci alla viticoltura, ma affrontare in modo più ampio il problema della carenza di manodopera in agricoltura.
Farmhand Robotics nasce come spin-off di Vinum e ha ricevuto un finanziamento da RoboIT, lo strumento di CDP Venture Capital dedicato alla robotica italiana, per lo sviluppo di un Proof-of-Concept (PoC) in fase pre-seed. L’obiettivo è accompagnare la tecnologia verso le successive fasi di validazione e sviluppo.
La visione è chiara, valorizzare le competenze sviluppate in quattro ambiti chiave: intelligenza artificiale, computer vision, robotica e agronomia, per creare piattaforme modulari capaci di svolgere diverse operazioni agricole. La potatura invernale è il primo caso d’uso, ma non sarà l’unico.
La stessa architettura può essere adattata ad altre operazioni sulla vite, come la stralciatura, ma anche alla raccolta dei frutti e, più in generale, a interventi selettivi su diverse colture, ampliando così in modo significativo il campo di applicazione della tecnologia.
La modularità come leva strategica per l’agricoltura di precisione
La modularità del sistema permette di sostituire l’end-effector, nel caso di Vinum la cesoia per la potatura, con altri strumenti, come una pinza o un dispositivo per la raccolta, senza modificare l’architettura tecnologica di base. In un contesto come quello agricolo, dove la variabilità è strutturale e ogni coltura richiede interventi specifici, questa capacità di adattamento rappresenta un fattore decisivo per garantire scalabilità e applicabilità su larga scala.
Farmhand Robotics rappresenta un passaggio naturale nella missione di trasferimento tecnologico: partire dalla ricerca di frontiera, sviluppare una soluzione concreta, validarla in campo e infine trasformarla in impresa. È un esempio di come la robotica avanzata, nata per esplorare terreni accidentati o addirittura altri pianeti, possa trovare applicazione nei filari di un vigneto, contribuendo alla sostenibilità economica e ambientale del settore agricolo.
La robotica non sostituirà l’agronomo, ma potrà diventare uno strumento intelligente al suo servizio. E in un contesto in cui l’agricoltura di precisione è sempre più centrale, crediamo che portare intelligenza, autonomia e modularità nei campi sia una delle sfide più strategiche per il futuro.
