La robotica è quel campo della scienza che lavora con macchine che svolgono operazioni sulla base di programmi ed algoritmi predeterminati ed adattativi in modo automatico o semi-automatico. Queste macchine, comunemente chiamate robot, vengono controllate dagli umani oppure funzionano sotto la completa supervisione di una applicazione informatica e di algoritmi. La robotica è un concetto onnicomprensivo che include la costruzione, la progettazione e la programmazione dei robot. Questi robot si trovano in diretto contatto con il mondo fisico e vengono spesso impiegati per svolgere azioni monotone e ripetitive al posto degli umani. I robot possono venir categorizzati in base alle loro dimensioni, al loro ambito di applicazione o al loro scopo, come si vedrà in seguito.
La differenza tra robotica ed automazione
Quello di automazione è un concetto molto più ampio rispetto a quello di robotica. Automazione significa che parti specifiche di un processo o un intero processo vengono svolte senza intervento umano. Il processo avviene allora per mezzo di applicazioni informatiche predefinite o adattative e di macchine elettriche o meccaniche. Le applicazioni predefinite fanno riferimento a degli algoritmi, in cui tutte le operazioni sono predefinite e si svolgono in modo indipendente senza relazionarsi in nessun modo a cambiamenti non previsti nelle circostanze ambientali. L'automazione adattativa significa che l'algoritmo può cambiare il suo comportamento a seconda dei cambiamenti nel processo o nelle circostanze ambientali.
La robotica va di pari passo con l'automazione, nella misura in cui nella maggior parte dei casi i robot fanno parte di un sistema di automazione. Per quanto in alcuni casi i robot vengono impiegati con un basso livello o nessun livello di automazione, e per quanto ci possa essere automazione anche senza robotica, le due cose sono come due gemelli che hanno molto in comune, ma ognuno ha la sua personalità individuale.
Se le macchine possono svolgere operazioni al posto nostro, perché dobbiamo lavorare? La verità è che le capacità dei robot sono limitate. Anche se i robot sembrano intelligenti, queste macchine vanno bene di solito solo per un ristretto ambito d'applicazione. Anche se mettiamo al lavoro un'armata di robot per le molte operazioni nelle nostre vite, questi ambiti non si sommano in modo tale da costituire un sistema completo che possa sostituire completamente gli umani.
In altre parole, poiché questi robot funzionano in un ambito molto ristretto e non siamo affatto vicini al raggiungimento di un livello di intelligenza generale nelle macchine, non bisogna aver paura che si creino dei robot cattivi o che si instauri il dominio dei robot.
I tipi di robot
I robot possono venir classificati in vari modi. Si prenderanno qui in considerazione quattro metodi di categorizzazione principali:
Dimensioni
Ambito applicativo
Scopo
Numero
Dimensioni
Rispetto alle dimensioni si presentano le seguenti categorie:
Nanorobot o nanobot: i nanorobot sono fatti di nanomateriali e le loro dimensioni variano tra gli 0,1 e i 10 micron (per farsi un idea di quest'ordine di piccolezza, si pensi che un globulo rosso del sangue è grande circa 5-10 micron). I nanorobot si trovano nelle prime fasi di ricerca. Questo concetto viene principalmente discusso in relazione ad applicazioni mediche e serviranno ancora molti anni di duro lavoro per renderli una soluzione possibile. Un'idea legata ai nanorobot è la possibilità di iniettarli all'interno del corpo di un paziente per identificare e curare delle malattie.
Microbot, millibot e minibot: questi robot sono molto piccoli ma sempre più grandi dei nanobot e di fatto esistono già. Microbot, millibot e minibot sono più piccoli rispettivamente di 1 mm, 1 cm e 10 cm. Il più piccolo robot volante è RoboBee con un'arcata alare di 1,2 cm e un peso di 80 milligrammi. Le ali posso flettersi 120 volte al secondo ed il robot può venir controllato a distanza. Lo scopo di un dispositivo così piccolo è quello di formare uno sciame per la ricerca ed il soccorso o per l'impollinazione artificiale.
Robot di piccole o medie dimensioni: Questi robot sono più piccoli di 100 cm (piccole dimensioni) o più o meno della stessa grandezza di un umano (100–200 cm, dimensioni medie). La maggior parte dei robot domestici, dei giocattoli e dei robot sociali come anche la maggior parte degli umanoidi (robot che hanno le fattezze degli umani, di cui i Trasformer dei fumetti e dei film sono un tipico esempio) e gli assistenti personali digitali sono di queste dimensioni. Il robot di piccole e medie dimensioni sono il tipo di robot che vediamo ed incontriamo più spesso, nei film e nella vita reale.
Robot di grandi dimensioni: questi robot sono più grandi di noi. Molto più grandi. ci sono alcuni grandi robot umanoidi che raggiungono fino a 8–10 metri di altezza. Tuttavia robot umanoidi di grandi dimensioni vengono creati sopratutto per la ricerca scientifica o per puro divertimento. Infatti la maggior parte dei robot di grandi dimensioni non hanno le fattezze degli umani. Essi vengono prodotti per l'automazione nella produzione manifatturiera, nell'ambito delle costruzioni, dell'agricoltura, della guida autonoma e della navigazione.
Dominio applicativo
È possibile anche classificare i robot in base al loro dominio di applicazione, suddividendoli in robot personali ed industriali.
I robot personali vengono impiegati nella vita quotidiana e vengono pensati per essere utili ad una persona singola o ad una famiglia. Persone senza competenze tecniche possono far funzionare i robot per svolgere operazioni ripetitive o magari noiose, per risparmiare tempo o per intrattenimento. Robot domestici, robot sociali, assistenti personali digitali e giocattoli sono i robot personali più comuni.
I robot industriali sono robusti e pensati per svolgere operazioni specifiche in modo pre-programmato per esempio nell'ambito della produzione manifatturiera, delle costruzioni o in agricoltura. Tra le loro applicazioni si contano l'assemblaggio, lo smontaggio, il montaggio, il serraggio delle viti, la saldatura, la verniciatura, l'ispezione visiva e così via. I robot industriali raggiungono prestazioni straordinarie in un'operazione specifica: si tratta di macchine veloci, precise ed affidabili. Senza i robot industriali non avremmo raggiunto l'attuale livello di sviluppo tecnologico.
Scopo
Un altro possibile criterio di classificazione per i robot è il loro scopo. I robot possono avere uno scopo specifico o generale. Ma cosa vuol dire?
Robot a scopo specifico: queste macchine svolgono un'operazione particolare o una serie di operazioni possibili. Possono essere tanto semplici quanto un braccio robotico che muove oggetti da un punto A a un punto B oppure tanto complessi quanto un robot sociale con un'interfaccia avanzata e che comunica in linguaggio naturale. La costruzione ed il comportamento di questi robot non possono venir alterati; essi seguono programmi predefiniti a seconda del loro scopo originale. I robot domestici ed i robot industriali appartengono a questa categoria di macchine.
Robot a scopo generico: In questo caso l'attività del robot non è predefinita. Le varie componenti dei robot possono venir acquistate separatamente e possono venir assemblate in modi diversi per svolgere operazioni specifiche. Le componenti possono includere braccia robotiche, ruote, telecamere, motori passo-passo e sensori ed attuatori aggiuntivi. Questi robot possono anche esser dotati di connessioni senza fili come il Wi-Fi ed il Bluetooth. Il "cervello" del robot, che generalmente è un piccolo computer, può essere “addestrato” affinché svolga diverse operazioni con diverse componenti utilizzando delle applicazioni apposite scritte in linguaggio di programmazione. Computer programmabili di dimensioni ridotte e molto diffusi, anche chiamati computer integrati, sono l'Nvidia Jetson e il Jetson Nano, il Raspberry Pi e l'Arduino. Questi sistemi integrati hanno delle connessioni di input ed output generiche (GPIO) a cui si possono connettere dei sensori e degli attuatori utilizzando un'interfaccia di comunicazione standard.
Altri robot a scopo generico includono un corpo prefabbricato che contiene sensori (come telecamere e microfoni) ed attuatori (come braccia e gambe). Sviluppando diverse applicazioni informatiche, il robot può svolgere operazioni specifiche. Alcuni esempi di robot di questo tipo sono il Nao di Softbank Robotics, Pepper e Romeo o il ‘cane’ robot di Boston Dynamics che si chiama Spot.
Numero
I robot possono venir classificati anche in base al loro numero:
Robot singoli: un robot singolo lavora da solo. Ha un compito assegnato che svolge sulla base di un programma predefinito. Il programma predefinito può comprendere tecnologie avanzate che gli permettono di adattarsi all'ambiente circostante ed il robot può essere connesso ad internet. Ciononostante il robot è comunque solo. Anche se diversi robot singoli si trovano nello stesso posto, rimangono ’soli’ nella misura in cui non possono comunicare tra di loro.
Robot a squadre: i robot possono funzionare in squadre proprio come gli umani. Spesso un'operazione viene svolta in sequenza da diversi robot. Si pensi ai video che mostrano come vengono assemblate le automobili. L'asse centrale viene saldato, poi si aggiungono le porte, poi la macchina viene verniciata, poi arrivano le finestre posteriori ed anteriori e così via. Tutti questi passaggi vengono svolti da diversi robot specializzati solo in quella particolare operazione.
Robotica a sciame: i robot possono funzionare come uno sciame. In questo caso un ampio numero di robot semplici viene controllato in modo collaborativo. I singoli robot di uno sciame non sono particolarmente di valore, ma lo sciame stesso può svolgere operazioni importanti. Si pensi per esempio alle api in natura. Un'ape singola non può far molto, ma senza i milioni di api che lavorano in sciami, gli umani probabilmente non potrebbero esistere. Possibili applicazioni della robotica a sciame sono l'esplorazione ed il soccorso, la microbiologia, la sorveglianza e l'impollinazione. Tuttavia nel momento in cui questo testo viene scritto (2021) la robotica a sciame si trova prevalentemente in una fase di ricerca.
L'evoluzione dei robot
La parola robot viene dalla parola ceca "robota", che significa “lavoro forzato” in ceco. L'opera teatrale di Karel Čapek del 1920, in cui le macchine conquistano il mondo, ha reso famosa la parola “robot”. Ma l'umanità ha da sempre avuto un interesse per approcci nuovi all'esistenza umana. Anche prima del ventesimo secolo ci sono stati diversi tentativi di ricreare un essere umano e leggende che narrano che qualcuno ci sia riuscito. Una delle idee più famose risale all'alchimista del sedicesimo secolo Paracelso. Egli affermò che un piccolo essere dalle fattezze umane (chiamato homunculus) potesse venir creato in un'ampolla utilizzando puri processi chimici. In seguito nel corso del sedicesimo secolo la parola golem entrò a far parte dell'immaginario collettivo. Secondo una leggenda popolare, il golem era fatto d'argilla e si metteva al servizio di coloro che inserivano una speciale pergamena all'interno della sua bocca o della sua fronte. La storia racconta che dopo un po' il golem affrontò il suo creatore ed infine gli si ribellò.
In tutta la storia della robotica si riscontra un interesse universale per l'infondere umanità o alcuni attributi umani nei robot. Questo interesse impone in genere tre condizioni principali:
il robot deve essere in qualche modo simile ad un essere umano (nell'apparenza, nel ragionamento, ecc.)
il robot deve superare un essere umano in qualche cosa (essere più forte, più intelligente, ecc.)
il robot deve soggiacere completamente al controllo del suo creatore
Un punto di svolta della storia della robotica è avvenuto quando sono apparse macchine che erano più forti delle persone. Macchine capaci di sostituire la prestazione lavorativa di un umano sono apparse durante la prima rivoluzione industriale intorno al 1769. All'epoca lo scopo principale era quello di ridurre i costi ed i tempi di produzione ed aumentare la quantità di prodotti senza interazione umana. L'automazione divenne il concetto prevalente dell'epoca. Grazie all'automazione diversi processi possono venir portati a termine senza alcun intervento umano. Poiché il lavoro veniva svolto dalle macchine, le persone hanno dovuto trovarsi nuovi modi di lavorare e sostentarsi. Le macchine non si stancano come le persone, perciò possono lavorare 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Anche il rischio di errore e la quantità di spreco diminuirono grazie all'automazione.
I robot si contraddistinguono anche per un'accuratezza ed un'efficienza verificabile. Nel 1800 non c'era la tecnologia dei computer. Ciononostante era già possibile costruire grandi macchinari per svolgere operazioni complesse. Alla fine degli anni cinquanta si sono verificati importanti sviluppi nell'ambito della robotica.
Shakey
Venne creato il primo robot industriale "Unimate" che venne utilizzato nell'industria automobilistica in sostituzione della manovalanza e venne creato anche il primo robot mobile -a scopo generico chiamato "Shakey". Shakey aveva telecamere e sensori tattili incorporati e poteva interagire con l'ambiente circostante.
Si possono dire tante cose positive sull'esistenza dei robot, ma l'umanità non è al 100% convinta. Il mercato del lavoro è costantemente sotto pressione a causa del numero di persone alla ricerca di un lavoro, in conseguenza del fatto che le macchine hanno sostituito i lavoratori in una serie di operazioni ripetitive. Un certa paura affiora sempre in relazione ai robot ed al fatto che possono sostituire la forza lavoro degli esseri umani, o in relazione al fatto che i robot possono ottenere più controllo sugli uomini di quanto si desidera.
Nel momento in cui i robot diventano più realistici, affiorano anche altre paure. I robot vengono generalmente tollerati-come robot. Il nostro cervello può classificare con facilità robot umanoidi che hanno l'apparenza di un robot, come classifichiamo con facilità un robot industriale nei processi di manifattura. Maggiore confusione ed anche frustrazione si manifesta quando siamo faccia a faccia con un robot estremamente realistico. In questi casi sappiamo che si tratta di un robot. Tuttavia il cervello ha difficoltà a gestire questo fatto a causa delle sue realistiche sembianze. La pelle, il movimento ed anche il modo di parlare sono molto simili a quelli di una persona, ma il nostro cervello ha difficoltà a classificarle: si tratta davvero di un robot? È capace di pensare? Posso fidarmi? Dovrei fidarmi?
Queste paure possono rappresentare il motivo per cui alla metà del ventesimo secolo si sono create delle "regole dei robot", anche note come Le tre leggi o Le leggi di Asimov, dal nome del loro autore Isaac Asimov.
Le tre leggi sono:
Un robot non può recar danno a un essere umano né può permettere che, a causa del suo mancato intervento, un essere umano riceva danno.
Un robot deve obbedire agli ordini impartiti dagli esseri umani, purché tali ordini non vadano in contrasto alla Prima Legge.
Un robot deve proteggere la propria esistenza, purché la salvaguardia di essa non contrasti con la Prima o con la Seconda Legge.
(Asimov 1950)
Un altro punto di svolta nella storia della robotica è stato quando il primo robot con controllo a distanza ha esplorato la superficie lunare nel 1970. Poco più tardi nel 1986, Honda ha lanciato un progetto per creare dei robot umanoidi che assomigliassero alle persone. L'evoluzione è andata avanti e sono apparsi robot in un numero sempre crescente di ambiti, come per esempio nell'assistenza sanitaria, nella produzione manifatturiera e nella logistica. L'evoluzione dei robot è un processo ancora in corso e adesso i robot sono presenti nelle nostre vite quotidiane. Ci sono robot per esempio nelle abitazioni (aspirapolvere), nei luoghi di lavoro (robot d'assemblaggio) e nel sistema sanitario (robot sociali integrati nelle cure dei pazienti o robot chirurgici).
L'umanità si trova nella quarta rivoluzione industriale, la quale integra le tecnologie emergenti più avanzate, come la robotica, l'IoT, il 5G, l'intelligenza artificiale e molte altre, al fine di permettere all'industria di raggiungere nuovi livelli.
