Prendendo spunto dalle cellule biologiche, i ricercatori del MIT, della Columbia University e di altri paesi hanno sviluppato robot computazionalmente semplici che si collegano in grandi gruppi per spostarsi, trasportare oggetti e completare altre attività.
Questo cosiddetto sistema di “robotica delle particelle”, basato su un progetto del MIT, della Columbia Engineering, della Cornell University e dei ricercatori dell’Università di Harvard, comprende molte unità individuali a forma di disco, che i ricercatori chiamano “particelle”. Le particelle sono liberamente collegate da magneti attorno ai loro perimetri, e ogni unità può fare solo due cose: espandersi e contrarsi. (Ogni particella misura circa 15 centimetri nel suo stato contratto e circa 22 centimetri quando viene espansa). Quel movimento, quando accuratamente sincronizzato, consente alle singole particelle di spingersi e tirarsi l’un l’altro in un movimento coordinato. I sensori integrati consentono al cluster di gravitare verso le sorgenti luminose.
In una pubblicazione su Nature, i ricercatori mostrano un ammasso di due dozzine di particelle robotiche reali e una simulazione virtuale di fino a 100.000 particelle che si muovono attraverso ostacoli verso una lampadina. Mostrano anche che un robot particellare può trasportare oggetti posti al suo interno.
I robot particellari si possono formare in molte configurazioni e navigare in modo fluido attorno agli ostacoli e spingere attraverso spazi stretti. In particolare, nessuna delle particelle comunica direttamente o si affida l’una con l’altra per funzionare, quindi le particelle possono essere aggiunte o sottratte senza alcun impatto sul gruppo. Nel loro articolo, i ricercatori mostrano che i sistemi robotici di particelle possono completare compiti anche quando molte unità funzionano male.
Il documento rappresenta un nuovo modo di pensare ai robot, che sono tradizionalmente progettati per uno scopo, comprendono molte parti complesse e smettono di funzionare quando si verificano malfunzionamenti di qualsiasi parte. I robot costituiti da questi componenti semplicistici, affermano i ricercatori, potrebbero consentire sistemi più scalabili, flessibili e robusti.
“Abbiamo piccole cellule robotiche che non sono così capaci come individui ma che possono fare molto come gruppo”, dice Daniela Rus, direttore del Laboratorio di Informatica e Intelligenza Artificiale (CSAIL) e Andrew and Erna Viterbi, Professori di Ingegneria Elettronica e Scienza del Computer. “Il robot è di per sé statico, ma quando si collega ad altre particelle del robot, all’improvviso il collettivo di robot può esplorare il mondo e controllare azioni più complesse. Con queste “cellule universali”, le particelle del robot possono raggiungere forme diverse con trasformazione globale, movimento globale, comportamento globale e, come abbiamo dimostrato nei nostri esperimenti, seguire gradienti di luce.”
Insieme a Rus sulla pubblicazione ci sono: Shuguang Li, un postdoc CSAIL; Richa Batra e Hod Lipson, entrambi della Columbia Engineering; David Brown, Hyun-Dong Chang e Nikhil Ranganathan di Cornell; e Chuck Hoberman di Harvard.
Al MIT, Rus ha lavorato su robot modulari e connessi per quasi 20 anni, tra cui un robot cubo con caratteristiche simili ai robot particella, ma la forma quadrata limitava il movimento e le configurazioni del gruppo dei robot.
In collaborazione con il laboratorio di Lipson, dove Li era un postdoc fino al MIT nel 2014, i ricercatori hanno optato per meccanismi a forma di disco che possono ruotare l’uno sull’altro. Possono anche connettersi e disconnettersi l’un l’altro e formare in molte configurazioni.
Ogni unità di un robot particellare ha una base cilindrica, che ospita una batteria, un piccolo motore, sensori che rilevano l’intensità della luce, un microcontrollore e un componente di comunicazione che invia e riceve segnali. Il corpo del robot è formato da un giocattolo per bambini chiamato Hoberman Flight Ring – il suo inventore è uno dei coautori della ricerca – che consiste in piccoli pannelli collegati in una formazione circolare che possono essere tirati per espandersi e spinti di nuovo per contrarre. Due piccoli magneti sono installati in ciascun pannello.
Il trucco era programmare le particelle robotiche per espandersi e contrarsi in una sequenza esatta per spingere e tirare l’intero gruppo verso una destinazione. Per fare ciò, i ricercatori hanno equipaggiato ciascuna particella con un algoritmo che analizza le informazioni trasmesse sull’intensità della luce da ogni altra particella, senza la necessità di una comunicazione diretta tra particelle e particelle.
I sensori di una particella rilevano l’intensità della luce da una fonte di luce; più la particella si avvicina alla fonte di luce, maggiore è l’intensità. Ogni particella trasmette costantemente un segnale che condivide il suo livello di intensità percepito con tutte le altre particelle. Diciamo che un sistema robotico di particelle misura l’intensità della luce su una scala di livelli da 1 a 10: le particelle più vicine alla luce registrano un livello 10 e quelle più lontane registrano il livello 1. Il livello di intensità, a sua volta, corrisponde a un momento specifico in cui la particella deve espandersi e contrarsi. Le particelle che presentano la massima intensità – livello 10 – si espandono per prime. Quando queste particelle si contraggono, le particelle successive in ordine, si espandono e contraggono. Quel movimento temporaneo di espansione e contrazione si verifica ad ogni livello successivo.
“Questo crea un’onda meccanica di contrazione-espansione, un movimento coordinato di spinta e trascinamento, che sposta un grande ammasso verso o lontano da stimoli ambientali”, dice Li. Il componente chiave, Li aggiunge, è il calcolo del tempo preciso tramite un orologio sincronizzato condiviso tra le particelle che consente il movimento nel modo più efficiente possibile: “Se si incasina l’orologio sincronizzato, il sistema funzionerà in modo meno efficiente.”
Nei video, i ricercatori dimostrano un sistema robotico particellare comprendente particelle reali che si muovono e cambiano direzione verso diverse lampadine mentre vengono fatte avanzare e si fanno strada attraverso una fessura tra gli ostacoli. Nel loro articolo, i ricercatori mostrano anche che i cluster simulati di fino a 10.000 particelle mantengono la locomozione, a metà della loro velocità, anche con il 20% delle unità fallite.
“La novità chiave qui è che hai un nuovo tipo di robot che non ha controllo centralizzato, nessun punto di fallimento singolo, nessuna forma fissa, ei suoi componenti non hanno un’identità unica.”
Il passo successivo, aggiunge Lipson, è la miniaturizzazione dei componenti per realizzare un robot composto da milioni di particelle microscopiche.
“Il lavoro punta verso una nuova direzione innovativa nella robotica modulare e distribuita”, afferma Mac Schwager, un assistente professore di aeronautica e astronautica e direttore del Multi-robot Systems Lab alla Stanford University. “Gli autori usano collettivi di semplici cellule robotiche stocastiche e sfruttano le statistiche del collettivo per ottenere un movimento globale. Questo ha qualche somiglianza con i sistemi biologici, in cui le cellule di un organismo seguono ciascuna un processo casuale, mentre l’effetto complessivo di questa casualità di basso livello porta ad un comportamento prevedibile per l’intero organismo: la speranza è che tali collettivi di robot offrano comportamenti robusti e adattabili, simili alla robustezza e all’adattabilità che vediamo in natura “.