Tecnologia robotica

La robotica è un settore interdisciplinare della scienza e dell’ingegneria dedicato alla progettazione, alla costruzione e all’utilizzo di robot meccanici. La nostra guida vi fornirà una conoscenza concreta della robotica, compresi i diversi tipi di robot e le loro applicazioni nei vari settori.

Panoramica sulla robotica

Che cos’è la robotica?

La robotica è l’intersezione di scienza, ingegneria e tecnologia che produce macchine, chiamate robot, che replicano o sostituiscono le azioni umane. La cultura pop è sempre stata affascinata dai robot: ne sono un esempio R2-D2, Terminator e WALL-E. Questi concetti esagerati e umanoidi di robot sembrano di solito una caricatura della realtà. Ma sono più lungimiranti di quanto pensiamo? I robot stanno acquisendo capacità intellettuali e meccaniche che non escludono la possibilità di una macchina simile a R2-D2 in futuro.

Che cos’è un robot?

Un robot è una macchina programmabile in grado di portare a termine un compito, mentre il termine robotica descrive il campo di studi incentrato sullo sviluppo di robot e automazione. Ogni robot ha un diverso livello di autonomia. Questi livelli vanno dai robot controllati dall’uomo che eseguono compiti a quelli completamente autonomi che eseguono compiti senza alcuna influenza esterna.

Con il progredire della tecnologia, aumenta anche la portata di ciò che viene considerato robotica. Nel 2005, il 90% di tutti i robot si trovava nell‘assemblaggio di automobili nelle fabbriche automobilistiche. Questi robot consistono principalmente in bracci meccanici incaricati di saldare o avvitare alcune parti di un’automobile.

Oggi assistiamo a una definizione evoluta e ampliata di robotica che comprende lo sviluppo, la creazione e l’utilizzo di robot che svolgono compiti come l’esplorazione delle condizioni più difficili del pianeta, l’assistenza alle forze dell’ordine, la semplificazione delle procedure chirurgiche e le missioni di salvataggio.

La robotica definita

Sebbene il mondo della robotica sia in continua espansione, un robot ha alcune caratteristiche costanti:

• I robot sono costituiti da una sorta di struttura meccanica. L’aspetto meccanico di un robot lo aiuta a portare a termine i compiti nell’ambiente per cui è stato progettato. Ad esempio, le ruote del Mars 2020 Rover sono motorizzate singolarmente e realizzate con tubi di titanio che lo aiutano ad afferrare saldamente l’aspro terreno del pianeta rosso.
• I robot hanno bisogno di componenti elettrici che controllino e alimentino i macchinari. In sostanza, per alimentare la maggior parte dei robot è necessaria una corrente elettrica, ad esempio una batteria.
• I robot contengono almeno un certo livello di programmazione informatica. Senza un codice che gli dica cosa fare, un robot sarebbe solo un altro semplice macchinario. L’inserimento di un programma in un robot gli conferisce la capacità di sapere quando e come svolgere un compito.

La promessa dell’industria robotica è destinata a concretizzarsi presto, visto che anche l’intelligenza artificiale e il software continuano a progredire. Nel prossimo futuro, grazie ai progressi di queste tecnologie, i robot continueranno a diventare più intelligenti, più flessibili e più efficienti dal punto di vista energetico. Continueranno inoltre a essere un punto focale nelle fabbriche intelligenti, dove affronteranno sfide più difficili e contribuiranno a rendere sicure le catene di approvvigionamento globali.

L’industria della robotica è piena di ammirevoli promesse di progresso che un tempo la fantascienza poteva solo sognare. Dalle profondità dei nostri oceani alle migliaia di chilometri nello spazio, i robot svolgeranno compiti che l’uomo non potrebbe mai sognare di svolgere da solo.

Etimologia di robot

La parola robot deriva dal termine ceco robota, che significa “lavoro forzato”. La parola è apparsa per la prima volta nell’opera teatrale R.U.R. del 1920, in riferimento ai personaggi dell’opera che erano lavoratori di massa incapaci di pensare in modo creativo.

Tipi di robotica

I robot meccanici sono disponibili in tutte le forme e dimensioni per svolgere in modo efficiente il compito per cui sono stati progettati. Tutti i robot variano per design, funzionalità e grado di autonomia. Dal “RoboBee”, lungo 0,2 millimetri, alla nave robotizzata di 200 metri di lunghezza “Vindskip”.Vindskipi robot stanno emergendo per svolgere compiti che l’uomo non è in grado di svolgere.

Esistono cinque tipi distinti di robot che eseguono compiti a seconda delle loro capacità. Qui di seguito sono illustrati questi tipi e le loro funzioni.

Robot pre-programmati

I robot pre-programmati operano in un ambiente controllato dove svolgono compiti semplici e monotoni. Un esempio di robot pre-programmato è il braccio meccanico di una catena di montaggio automobilistica. Il braccio svolge una funzione – saldare una portiera, inserire un determinato pezzo nel motore, ecc.

Robot umanoidi

I robot umanoidi sono robot che assomigliano o imitano il comportamento umano. Di solito svolgono attività simili a quelle umane (come correre, saltare e trasportare oggetti) e talvolta sono progettati per assomigliare a noi, persino con volti ed espressioni umane. Due degli esempi più importanti di robot umanoidi sono Sophia di Hanson Robotics e Atlas di Boston Dynamics.

Robot autonomi

I robot autonomi operano indipendentemente dagli operatori umani. Questi robot sono solitamente progettati per svolgere compiti in ambienti aperti che non richiedono la supervisione umana. Sono unici perché utilizzano sensori per percepire il mondo circostante e poi impiegano strutture decisionali (di solito un computer) per compiere il passo successivo ottimale in base ai dati e alla missione. Un esempio di robot autonomo è l’aspirapolvere Roomba, che utilizza i sensori per muoversi liberamente in tutta la casa.

Esempi di robot autonomi

• Robot per la pulizia (ad esempio, Roomba)
• Robot tagliaerba
• Bot dell’ospitalità
• Droni autonomi
• Assistenti medici bot

Robot teleoperati

I robot teleguidati sono macchine semi-autonome che utilizzano una rete wireless per consentire il controllo umano da una distanza di sicurezza. Questi robot lavorano di solito in condizioni geografiche, meteorologiche e circostanze estreme. Esempi di robot teleoperati sono i sottomarini controllati dall’uomo usati per riparare le perdite delle tubature sottomarine durante la fuoriuscita di petrolio della BP o i droni usati per rilevare le mine terrestri su un campo di battaglia.

Robot aumentativi

I robot aumentatori, noti anche come robot VR, migliorano le attuali capacità umane o sostituiscono le capacità che un uomo potrebbe aver perso. Il campo della robotica per il potenziamento umano è un campo in cui la fantascienza potrebbe diventare realtà molto presto, con robot che hanno la capacità di ridefinire la definizione di umanità rendendo gli esseri umani più veloci e più forti. Alcuni esempi di robot di potenziamento attuali sono gli arti protesici robotici o gli esoscheletri utilizzati per sollevare pesi elevati.

Che cos’è un bot? Cos’è la robotica software?

La robotica software, detta anche bot, è costituita da programmi informatici che svolgono attività in modo autonomo. Un caso d’uso comune dei robot software è una chatbot. Un chatbot è un programma informatico che simula una conversazione sia online che telefonica e viene spesso utilizzato in scenari di assistenza clienti. I chatbot possono essere semplici servizi che rispondono alle domande con una risposta automatica o assistenti digitali più complessi che imparano dalle informazioni dell’utente.

Tipi di bot

• Chatbot: eseguono semplici conversazioni, spesso in un contesto di assistenza clienti.
• Bot di spam: raccolgono indirizzi e-mail e inviano messaggi di spam.
• Bot di download: scaricano automaticamente software e applicazioni.
• Bot per i motori di ricerca: scansionano i siti web e li rendono visibili sui motori di ricerca.
• Monitoraggio dei bot: report sulla velocità e sullo stato del sito web.

• I robot software esistono solo su Internet e nascono all’interno di un computer, quindi non sono considerati robot. Per essere considerato un robot, un dispositivo deve avere una forma fisica, come un corpo o un telaio.

Come funzionano i robot?

Robot indipendenti

I robot indipendenti sono in grado di funzionare in modo completamente autonomo e indipendente dal controllo dell’operatore umano. In genere richiedono una programmazione più intensa, ma consentono ai robot di sostituirsi all’uomo nell’esecuzione di compiti pericolosi, banali o altrimenti impossibili, dalla diffusione di bombe e dai viaggi in alto mare all’automazione delle fabbriche. I robot indipendenti hanno dimostrato di essere i più dirompenti per la società, in quanto eliminano alcuni lavori ma presentano anche nuove possibilità di crescita.

Robot dipendenti

I robot dipendenti sono robot non autonomi che interagiscono con l’uomo per migliorare e integrare le azioni già esistenti. Si tratta di una forma di tecnologia relativamente nuova che viene costantemente ampliata in nuove applicazioni, ma una forma di robot dipendenti che è stata realizzata è quella delle protesi avanzate controllate dalla mente umana.

Un famoso esempio di robot dipendente è stato creato dall’APL della Johns Hopkins nel 2018 per Johnny Matheny, un paziente a cui era stato amputato il braccio sopra il gomito. Matheny è stato dotato di un arto protesico modulare in modo che i ricercatori potessero studiarne l’uso per un periodo prolungato. L’MPL è controllato tramite elettromiografia, ovvero segnali inviati dall’arto amputato che controllano la protesi. Con il tempo, Matheny è diventato più efficiente nel controllare l’MPL e i segnali inviati dall’arto amputato sono diventati più piccoli e meno variabili, portando a una maggiore precisione nei movimenti e consentendo a Matheny di eseguire compiti delicati come suonare il pianoforte.

Quali sono i componenti principali di un robot?

I robot sono costruiti per rispondere a una serie di esigenze e per soddisfare diversi scopi e, pertanto, richiedono una serie di componenti specializzati per portare a termine questi compiti.

Quali sono i componenti principali di un robot?

• Sistema di controllo: la CPU che dirige le attività di un robot ad alto livello.
• Sensori: un componente che fornisce segnali elettrici per consentire a un robot di interagire con il mondo.
• Attuatori: le parti del motore responsabili del movimento del robot.
• Alimentazione: la batteria che alimenta il robot.
• Effettori finali: le caratteristiche esterne di un robot che gli consentono di portare a termine un compito.
• Tuttavia, ci sono diversi componenti che sono fondamentali per la costruzione di ogni robot, come una fonte di energia o un’unità di elaborazione centrale. In generale, i componenti della robotica rientrano in queste cinque categorie:

Sistema di controllo

La computazione comprende tutti i componenti che costituiscono l’unità centrale di elaborazione di un robot, spesso definita sistema di controllo. I sistemi di controllo sono programmati per indicare a un robot come utilizzare i suoi componenti specifici, in modo simile a come il cervello umano invia segnali in tutto il corpo, al fine di completare un compito specifico. Questi compiti robotici possono comprendere qualsiasi cosa, dalla chirurgia minimamente invasiva all’imballaggio in catena di montaggio.

Sensori

I sensori forniscono al robot stimoli sotto forma di segnali elettrici che vengono elaborati dal controllore e permettono al robot di interagire con il mondo esterno. I sensori più comuni presenti nei robot sono le videocamere che funzionano come occhi, i fotoresistori che reagiscono alla luce e i microfoni che funzionano come orecchie. Questi sensori permettono al robot di catturare l’ambiente circostante e di elaborare la conclusione più logica in base al momento attuale, consentendo al controllore di trasmettere i comandi ai componenti aggiuntivi.

Attuatori

Un dispositivo può essere considerato un robot solo se ha un telaio o un corpo mobile. Gli attuatori sono i componenti responsabili del movimento. Questi componenti sono costituiti da motori che ricevono segnali dal sistema di controllo e si muovono in tandem per eseguire il movimento necessario a completare il compito assegnato. Gli attuatori possono essere realizzati in diversi materiali, come il metallo o l’elastico, e sono comunemente azionati tramite aria compressa (attuatori pneumatici) o olio (attuatori idraulici), ma sono disponibili in diversi formati per svolgere al meglio il loro ruolo specializzato.

Alimentazione

Come il corpo umano ha bisogno di cibo per funzionare, anche i robot hanno bisogno di energia. I robot fissi, come quelli che si trovano in fabbrica, possono funzionare con corrente alternata attraverso una presa a muro, ma più comunemente i robot funzionano tramite una batteria interna. La maggior parte dei robot utilizza batterie al piombo-acido per le loro qualità di sicurezza e la lunga durata di conservazione, mentre altri possono utilizzare batterie al cadmio-argento, più compatte ma anche più costose. Sicurezza, peso, sostituibilità e ciclo di vita sono tutti fattori importanti da considerare quando si progetta l’alimentazione di un robot.

Alcune potenziali fonti di energia per lo sviluppo futuro della robotica includono anche l’energia pneumatica da gas compressi, l’energia solare, l’energia idraulica, l’accumulo di energia tramite volano, i rifiuti organici attraverso la digestione anaerobica e l’energia nucleare.

Effettori finali

Gli effettori finali sono i componenti fisici, tipicamente esterni, che permettono ai robot di portare a termine i loro compiti. I robot nelle fabbriche sono spesso dotati di strumenti intercambiabili come spruzzatori di vernice e trapani, i robot chirurgici possono essere dotati di bisturi e altri tipi di robot possono essere costruiti con artigli di presa o addirittura mani per compiti come consegne, imballaggio, diffusione di bombe e molto altro.

Esempi di robotica

Usi dei robot

I robot hanno un’ampia varietà di casi d’uso che li rendono la tecnologia ideale per il futuro. Presto vedremo i robot quasi ovunque. Li vedremo negli ospedali, negli alberghi e persino sulle strade.

Applicazioni della robotica

• Conservazione: lotta agli incendi boschivi.
• Produzione: lavoro nelle fabbriche, ricerca e trasporto di articoli nei magazzini.
• Compagnia: fornire compagnia a persone anziane.
• Assistenza sanitaria: assistenza agli interventi chirurgici.
• Consegna: completamento delle consegne di cibo e adempimento dell’ultimo miglio.
• Casa: passare l’aspirapolvere e tagliare l’erba.
• Soccorso: intraprendere missioni di ricerca e salvataggio in seguito a disastri naturali.
• Operazioni militari: rilevamento di mine terrestri in zone di guerra.

La robotica nella produzione

L’industria manifatturiera è probabilmente il più antico e noto utilizzatore di robot. Questi robot e co-bot (bot che lavorano a fianco dell’uomo) lavorano per testare e assemblare in modo efficiente prodotti come automobili e attrezzature industriali. Si stima che attualmente siano in uso più di tre milioni di robot industriali.

Robot per la logistica

I robot di spedizione, movimentazione e controllo qualità stanno diventando un must per la maggior parte dei rivenditori e delle aziende di logistica. Poiché oggi ci aspettiamo che i nostri pacchi arrivino a una velocità impressionante, le aziende di logistica impiegano i robot nei magazzini, e persino in viaggio, per massimizzare l’efficienza dei tempi. In questo momento ci sono robot che prendono gli articoli dagli scaffali, li trasportano in magazzino e li imballano. Inoltre, l’aumento dei robot dell’ultimo miglio (robot che consegnano autonomamente il vostro pacco a casa vostra) assicura che nel prossimo futuro avrete un incontro faccia a faccia con un robot della logistica.

Robot per la casa

Non è più fantascienza. I robot sono presenti in tutte le nostre case, ci aiutano nelle faccende domestiche, ci ricordano gli orari e intrattengono persino i nostri figli. L’esempio più noto di robot domestici è l’aspirapolvere autonomo Roomba. Inoltre, i robot si sono evoluti per fare di tutto, dal taglio dell’erba in autonomia alla pulizia delle piscine.

Robot da viaggio

Esiste qualcosa di più fantascientifico dei veicoli autonomi? Le auto a guida autonoma non sono più solo immaginazione. Grazie alla combinazione di scienza dei dati e robotica, i veicoli a guida autonoma stanno conquistando il mondo. Aziende come Tesla, Ford, Waymo, Volkswagen e BMW stanno lavorando alla prossima ondata di viaggi che ci permetterà di sederci, rilassarci e goderci il viaggio. Anche le società di trasporto su strada Uber e Lyft stanno sviluppando veicoli autonomi che non richiedono l’intervento dell’uomo.

Robotica sanitaria

I robot hanno fatto passi da gigante nel settore sanitario. Queste meraviglie meccaniche trovano impiego in quasi tutti gli aspetti dell’assistenza sanitaria, dagli interventi chirurgici assistiti da robot ai robot che aiutano gli esseri umani a recuperare le lesioni durante la fisioterapia. Esempi di robot al lavoro nel settore sanitario sono gli assistenti sanitari di Toyota, che aiutano le persone a riacquistare la capacità di camminare, e TUG, un robot progettato per passeggiare autonomamente in un ospedale e consegnare qualsiasi cosa, dalle medicine alla biancheria pulita.

I robot sono stati impiegati dalle aziende farmaceutiche per contribuire alla lotta contro la COVID-19. Questi robot vengono ora utilizzati per riempire e sigillare i tamponi per il test della COVID-19 e vengono anche utilizzati da alcuni produttori per produrre DPI e respiratori.

La storia della robotica

Storia della robotica

Le persone hanno riflettuto sui robot fin da quando le antiche civiltà hanno incorporato nelle loro società miti e credenze sulle “macchine pensanti” e hanno inventato l’orologio ad acqua. La robotica è cambiata drasticamente dai tempi dei Greci, dei Romani e degli Egizi, ma la sua storia è vastissima. Ecco una panoramica di alcuni degli eventi più importanti che hanno segnato la storia della robotica.

1700s

• (1737) Jacques de Vaucanson costruisce il primo automa biomeccanico documentato. Chiamato Suonatore di flauto, il dispositivo meccanico suona 12 canzoni.

1920s

• (1920) La parola “robot” fa la sua prima apparizione nell’opera teatrale R.U.R. di Karel Capek. Robot deriva dalla parola ceca “robota”, che significa “lavoro forzato”.
• (1926) Il primo robot cinematografico appare in Metropolis.

1930s

• (1936) Alan Turing pubblica “On Computable Numbers”, un documento che introduce il concetto di computer teorico chiamato Macchina di Turing.

1940s

• (1948) Il libro Cybernetics or Control and Communication in the Animal (Cibernetica o controllo e comunicazione nell’animale) è pubblicato dal professore del MIT Norbert Wiener. Il libro tratta del concetto di comunicazione e controllo nei sistemi elettronici, meccanici e biologici.
• (1949) William Grey Walter, neurofisiologo e inventore, presenta Elmer ed Elsie, una coppia di robot a batteria che assomigliano a tartarughe. I robot spostano oggetti, trovano una fonte di luce e tornano a una stazione di ricarica.

1950s

• (1950) Isaac Asimov pubblica le Tre leggi della robotica.
• (1950) Alan Turing pubblica l’articolo “Computing Machinery and Intelligence”, proponendo quello che oggi è noto come Test di Turing, un metodo per determinare se una macchina è intelligente.

1960s

• (1961) Il primo braccio robotico lavora in uno stabilimento della General Motors. Il braccio solleva e impila parti metalliche e segue un programma per circa 200 movimenti. Il braccio è stato creato da George Devol e dal suo partner Joseph Engelberger.
• (1969) Victor Scheinman inventa lo Stanford Arm, un braccio robotico con sei articolazioni in grado di imitare i movimenti di un braccio umano. È uno dei primi robot progettati per essere controllati da un computer.

1970s

• (1972) Un gruppo di ingegneri dello Stanford Research Institute crea Shakey, il primo robot che utilizza l’intelligenza artificiale. Shakey completa i compiti osservando l’ambiente circostante e formando un piano. Il robot utilizza sensori, un telemetro e un apparato sensibile al tatto per pianificare le sue mosse.
• (1978) Hiroshi Makino, ricercatore nel campo dell’automazione, progetta un braccio robotico SCARA a quattro assi. Conosciuto come il primo robot “pick and place”, il braccio è programmato per prendere un oggetto, girarlo e posizionarlo in un’altra posizione.

1980s

• (1985) Il primo impiego documentato di una procedura chirurgica assistita da robot utilizza il braccio chirurgico robotico PUMA 560.
• (1985) William Whittaker costruisce due robot azionati a distanza che vengono inviati alla centrale nucleare di Three Mile Island. I robot lavorano nel seminterrato dell’edificio danneggiato del reattore per effettuare rilievi del sito, inviare informazioni e prelevare campioni per misurare i livelli di radiazioni.
• (1989) I ricercatori del MIT Rodney Brooks e A. M. Flynn pubblicano Fast, Cheap and Out of Control: A Robot Invasion of the Solar System. L’articolo sostiene la necessità di costruire molti robot piccoli ed economici piuttosto che pochi grandi e costosi.

1990s

• (1990) Un gruppo di ricercatori del MIT fonda iRobot, l’azienda dietro l’aspirapolvere Roomba.
• (1992) Marc Raibert, un altro ricercatore del MIT, fonda la società di robotica Boston Dynamics.
• (1997) Sojourner atterra su Marte. Il rover libero invia alla Terra 2,3 miliardi di dati, tra cui più di 17.000 immagini, 15 analisi chimiche di rocce e suolo e numerosi dati sul clima di Marte.
• (1998) Furby, un animale domestico robotico sviluppato da Tiger Electronics, viene lanciato sul mercato e vende decine di milioni di unità. I Furby sono preprogrammati per parlare in modo incomprensibile e imparare altre lingue nel tempo.
• (1999) Aibo, un cucciolo robotico dotato di intelligenza artificiale, arriva sul mercato. Sviluppato da Sony, il cane robotico reagisce ai suoni e ha alcuni comportamenti pre-programmati.

2000s

• (2000) Cynthia Breazeal crea una testa robotica programmata per provocare emozioni e reagire ad esse. Chiamato Kismet, il robot è composto da 21 motori, sensori audio e algoritmi per comprendere il tono vocale.
• (2000) Sony presenta il Sony Dream Robot, un robot umanoide bipede per l’intrattenimento sviluppato e commercializzato ma mai venduto.
• (2001) Il PackBot di iRobot perlustra il sito del World Trade Center dopo l’11 settembre.
• (2002) iRobot crea Roomba. Il robot aspirapolvere è il primo robot a diventare popolare nel settore commerciale tra il pubblico.
• (2003) Mick Mountz e i cofondatori di Amazon Robotics (ex Kiva Systems) inventano il robot Kiva. Il robot si muove nei magazzini e sposta le merci.
• (2004) Boston Dynamics presenta BigDog, un robot quadrupede controllato dall’uomo. Il robot è noto per essere più agile rispetto alle precedenti iterazioni di robot, in quanto è in grado di tenere a terra solo due piedi alla volta. È dotato di 50 sensori e di un computer di bordo che gestisce l’andatura e lo mantiene stabile.
• (2004) La Defense Advanced Research Projects Agency del Dipartimento della Difesa istituisce la DARPA Grand Challenge. Una gara di auto a guida autonoma che mira a ispirare l’innovazione nella tecnologia dei veicoli autonomi militari.
• (2005) Una Volkswagen Touareg di nome Stanley vince la seconda DARPA Grand Challenge. L’auto utilizza un’intelligenza artificiale addestrata sulle abitudini di guida degli esseri umani reali e cinque sensori laser lidar per completare un percorso di 131,2 miglia nel deserto del Mojave.

2010s

• (2011) La NASA e la General Motors collaborano per inviare nello spazio Robonaut 2, un assistente robotico dalle sembianze umane, a bordo dello Space Shuttle Discovery. Il robot diventa un residente permanente della Stazione Spaziale Internazionale.
• (2013) Boston Dynamics rilascia Atlas, un robot umanoide bipede che utilizza 28 articolazioni idrauliche per imitare i movimenti umani, compresa l’esecuzione di una capriola all’indietro.
• (2012) In Nevada viene rilasciata la prima licenza per un’auto a guida autonoma. L’auto è una Toyota Prius modificata con la tecnologia sviluppata da Google.
• (2014) Ricercatori canadesi sviluppano hitchBOT, un bot che attraversa il Canada e l’Europa in autostop nell’ambito di un esperimento sociale.
• (2016) Sophia, un robot umanoide soprannominato il primo cittadino robot, è stato creato da Hanson Robotics. Il robot è in grado di riconoscere il volto, di comunicare verbalmente e di esprimere il viso.

2020s

• (2020) I robot vengono utilizzati per distribuire i test COVID-19 e le vaccinazioni.
• (2020) 384.000 robot industriali vengono spediti in tutto il mondo per svolgere vari lavori di produzione e di magazzino.
• (2021) Cruise, una società di auto autonome, effettua i primi due giri di prova di robotaxi a San Francisco.