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Un futuro … robotico

13 Mar

Nell’immaginario collettivo dettato dai film e racconti di fantascienza, il nostro futuro dovrebbe essere popolato da robot umanoidi dotati di intelligenza propria ed in grado di comunicare, interagire e, perche’ no, contrapporsi agli stessi esseri umani che li hanno creati. Da decenni questi scenari futuristici vengono richiamati e su tematiche del genere si sono inventate tantissime storie e racconti. Il nostro livello tecnologico, per quanto, punto di vista personale, debba sempre essere migliorato ed e’ sempre un passo indietro a quello che vorremmo fare, non e’ assolutamente scarso eppure questi tanto citati scenari non si sono ancora visti.

Nonostante questo, e anche se molti lo ignorano, la tecnologia robotica ha fatto enormi passi avanti negli ultimi anni e molte operazioni, sia di routine che di elevata complessita’, sono gia’ eseguite dagli uomini coadiuvati da sistemi elettromeccanici. Spesso, questa simbiosi tecnologica e’ necessaria e utile per migliorare la precisione di determinate operazioni, altre volte invece e’ una vera e propria necessita’ fondamentale per supplire all’impossibilita’ di un intervento diretto dell’uomo.

Proprio da questo ultimo scenario vorrei partire per commentare una notizia apparsa sui giornali qualche giorno fa. Provate ad immaginare uno scenario di questo tipo: siamo su un’astronave lontana migliaia di kilometri da Terra. Un membro del nostro equipaggio ha un problema di salute importante che impone un intervento chirurgico di urgenza. Per quanto gli altri membri dell’equipaggio possono essere addestrati a situazioni di questo tipo, non e’ assolutamente possibile immaginare che tutti siano in grado di fare tutto in modo eccellente. Cosa fare per salvare la vita dell’uomo? In casi come questo, potrebbe intervenire un robot in grado di compiere operazioni chirurgiche anche delicate perche’ programmato ed istruito per farle oppure perche’ telecontrollato da un esperto sulla Terra o su un’altra navicella nello spazio.

Pensate sia fantascienza?

Proviamo a sostituire qualche soggetto della nostra storia. La navicella lontana dalla Terra e’ la Stazione Spaziale Internazionale, i membri dell’equipaggio sono gli astronauti provenienti da diversi paesi e che devono restare in orbita anche per periodi relativamente lunghi. Come vengono gestiti casi come quello raccontato sulla ISS? Per il momento, non c’e’ stato mai bisogno di operare d’urgenza un membro della stazione spaziale ma, come potete capire, e’ necessario predisporre piani di emergenza anche per far fronte a problemi come questo. Dal punto di vista medico, gli astronauti della stazione hanno in dotazione strumentazione di monitoraggio e controllo che possono usare autonomamente o aiutandosi in coppie.

Sicuramente un robot appositamente creato per questi scopi potrebbe coadiuvare gli astronauti sia nelle operazioni di routine che in casi di emergenza.

Questo e’ il pensiero che i tecnici NASA hanno avuto quando, qualche anno fa, hanno mandato sulla Stazione Spaziale il Robonaut 2, un robot umanoide che ancora oggi e’ in orbita intorno alla Terra. Inizialmente, il robot e’ stato inviato per aiutare gli astronauti nelle operazioni piu’ difficili ma anche per sostituirli in quelle piu’ banali e ripetitive che sottraggono inutilmente tempo al lavoro del team.

Il Robonaut 2 all'interno della Stazione Spaziale Internazionale

Il Robonaut 2 all’interno della Stazione Spaziale Internazionale

La storia del progetto inizia gia’ dal 1997 quando venne sviluppato un primo prototipo di Robonaut. Questo sistema era pensato per aiutare gli astronauti o sostituirli durante le attivita’ extraveicolari piu’ pericolose. Inoltre, poteva essere montato su un piccolo carro a 6 ruote trasformandolo in un piccolo rover intelligente per l’esplorazione in superficie della Luna o di altri corpi celesti.

Il progetto, come potete immaginare, risulto’ valido e dal 2006 e’ iniziata una stretta collaborazione tra la NASA e la General Motors per la costruzione di un sistema piu’ affidabile e da testare in orbita, appunto il Robonaut 2. Una volta arrivato sulla stazione, il robot venne lasciato imballato per diversi mesi a causa dell’elevato carico di lavoro degli astronauti, fino a quando venne messo in funzione quando nella stazione era presente anche il nostro Paolo Nespoli.

Ecco un video delle prime fasi di collaudo del Robonaut-2:

Come detto, il Robonaut 2 e’ un robot umanoide dotato di due braccia a 5 dita per un peso complessivo di 150Kg, escluse le gambe non previste in questa versione. Il costo di produzione e’ stato di circa 2.5 milioni di dollari per produrre un vero e proprio gioiello di elettronica. Il robot e’ dotato di 350 sensori, una telecamera 3D ad alta definizione, il tutto comandato da 38 processori Power PC. Il complesso sistema di snodi consente di avere 42 gradi di movimento indipendenti.

Addestramento del Robonaut 2 con un manichino

Addestramento del Robonaut 2 con un manichino

La notizia di questi giorni e’ relativa allo speciale addestramento che il Robonaut 2 sta seguendo per diventare un vero e proprio medico di bordo pronto a far fronte, autonomamente o su controllo da Terra, ad ogni intervento medico richiesto, da quelli di routine a, eventualmente, vere e proprie operazioni. Questo addestramento e’ seguito passo passo sia da medici che da tecnici NASA esperti di telecontrollo, dal momento che tutto verra’ poi seguito da Terra verso la Stazione Spaziale. Stando a quanto riportato anche dalla NASA, il Robonaut sarebbe gia’ in grado di eseguire piccoli interventi di routine e di fare prelievi e punture ad esseri umani. Ovviamente, per il momento la sperimentazione e’ fatta su manichini anche se il robot ha mostrato una straordinaria capacita’ di apprendimento e, ovviamente, una precisione e ripetivita’, difficilmente raggiungibili da una mano umana.

Come vedete, forse gli scenari fantascientifici da cui siamo partiti non sono poi cosi’ lontani. In questo caso, l’utilizzo di tecnologia robotica e’ necessario proprio per supplire all’impossibilita’ di intervento diretto da parte dell’uomo e sicuramente potrebbe essere in grado in un futuro molto prossimo di far fronte a situazioni altrimenti non gestibili.

Prima di chiudere vorrei pero’ aprire un ulteriore parentesi robotica. Se pensate che l’utilizzo di un sistema elettromeccanico in medicina sia una novita’ assoluta o se credete che sistemi di questo tipo siano appannaggio soltanto della Stazione Spaziale o di centri di ricerca futuristici, state sbagliando di grosso.

Vi mostro una foto di un altro robot, assolutamente non umanoide, ma con funzioni molto interessanti:

Il sistema robotico Da Vinci

Il sistema robotico Da Vinci

Questo e’ il Robot Da Vinci, proprio in onore del nostro Leonardo, utilizzato in moltissime sale operatorie di tutto il mondo.

Da Vinci e’ prodotto dalla ditta americana Intuitive Surgical e gia’ nel 2000 e’ stato approvato per l’uso in sala operatoria dalla Food and Drugs Administration. Questo sistema e’ dotato di diversi bracci elettromeccanici che consentono una liberta’ di movimento molto maggiore, e assai piu’ precisa, di quella di un polso umano. Il sistema e’ teleguidato da un medico lontano dalla sala operatoria al cui interno ci sono solo infermieri che di volta in volta posizionano lo strumento giusto nelle pinze del robot. Stando a quanto dichiarato, questo robot consente ovviamente di avere una affidabilita’ di ripetizione e precisione molto maggiore di quelle di un normale medico riuscendo ad operare limitando fino ad 1/3 il normale sangiunamento degli interventi piu’ complicati.

Dal sito della Intuitive Surgical si legge che ad oggi sono stati venduti piu’ di 700 di questi robot e pensate che in Italia quasi 70 sale operatorie sono attrezzate con questo sistema. Il numero di operazioni effettuate con questo robot e’ dell’ordine delle decine di migliaia.

E’ tutto oro quello che luccica?

Per completezza, e come siamo abituati a procedere, vi mostro anche il rovescio della medaglia. Rimanendo nel caso Da Vinci, anche in Italia, si sono formati tra i medici due schieramenti: quelli favorevoli al suo uso e quelli fortemente contrari. Perche’ questo? Se parliamo dei vantaggi del sistema, sicuramente una mano robotica consente di effetturare operazioni di routine con una precisione assoluta, d’altro canto pero’, ci sono molti medici che mettono in discussione il rapporto investimento/beneficio di un sistema del genere. Come potete facilmente immaginare, l’investimento richiesto per l’acquisto del robot e’ molto elevato con grossi guadagni dell’azienda e, soprattutto, delle banche che offrono finanziamenti agli ospedali. Inizialmente, il Da Vinci e’ stato sviluppato per le operazioni piu’ complesse o in cui il medico non riuscirebbe a lavorare facilmente. Si tratta ovviamente di operazioni in laparoscopia che tradizionalmente potrebbero essere eseguite con un investimento molto inferiore. Inoltre, visto lo sforzo economico per l’acquisto, molti degli ospedali che dispongono del robot tendono ad utilizzarlo anche per gli interventi piu’ facili al fine di sfruttare a pieno l’investimento fatto. Altro aspetto non da poco, il Da Vinci e’, ovviamente, coperto da decine di brevetti che creano un monopolio per la ditta costruttrice. Questo non fa altro che bloccare eventuali piccole startup che potrebbero migliorare notevolmente un sistema che, come detto, risale al 2000. Come discusso all’inizio dell’articolo, anno per anno la tecnologia cresce notevolmente ed un apparato del genere, per quanto complesso, potrebbe sempre essere migliorato con l’aggiunta di nuovi sistemi. Come vedete, al solito, le discussioni sono piu’ di natura economica che di utilizzo. Nonostante questo, il Da Vinci e’ un ottimo esempio di chirurgia robotica gia’ disponibile alla societa’.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Le previsioni del tempo

20 Gen

Molto spesso mi viene chiesto come sono fatte le previsioni del tempo. In questi ultimi giorni poi, l’argomento e’ molto di moda anche grazie ai continui annunci di copiose nevicate, ad esempio su Roma, che pero’ ancora non si sono viste.

Cerchiamo di fare un po’ di ordine ma soprattutto di capire quale e quanto lavoro c’e’ dietro quelle previsioni fatte a 1, 2, 3 giorni o, a volte, anche a mesi di distanza.

Al giorno d’oggi, le previsioni del tempo si basano su equazioni numeriche in grado di descrivere i complessi movimenti delle masse d’aria nel mondo, ma soprattutto nell’evoluzione temporale di questi parametri. In soldoni, la fisica vi descrive il movimento di queste masse d’aria e, misurando i parametri in questo momento, viene costruita una simulazione che cerca di fornire la situazione che si avra’ a distanza di tempo.

Meteo

Fate subito attenzione ad una cosa. Come detto, vengono presi i parametri atmosferci ad un certo istante e da questi viene costruita la modellizzazione nel tempo del meteo. Capite subito che tanto piu’ vicina sara’ la previsione richiesta, tanto piu’ affidabile sara’ il risultato fornito.

Per capire questo fondamentale limite, vi faccio un esempio molto facile. Immaginate di vedere una persona che cammina per strada e di voler simulare come cambiera’ nel tempo la sua posizione. L’istante iniziale e’ quello in cui osservate la persona. Ora, immaginando di vedere la persona che sta camminando con una certa velocita’ in una direzione potete dire, senza continuare a guardarla, che dopo 10 secondi sara’ arrivata in quest’altra posizione, dopo 20 secondi in quest’altra, e cosi’ via. Dove sara’ la persona dopo 3 ore? Assolutamente non siete in grado di dare questa risposta perche’ il vostro modello, basato solo sull’osservazione della direzione della persona ad un certo istante, non riesce a rispondere a questa domanda (la persona potrebbe essersi fermata, essere arrivata ad un bivio, potrebbe essere tornata indietro, ecc).

Le previsioni del tempo funzionano piu’ o meno in questo modo. I modelli ovviamente sono molto complessi dal momento che devono descrivere il movimento nel tempo delle enormi masse d’aria circolanti sul nostro pianeta.

La raccolta dei dati per le previsioni atmosferiche viene fatta utilizzando stazioni a terra, palloni sonda e satelliti metereologici. Le informazioni raccolte vengono poi inviate ed analizzate mediante potenti supercomputer in grado non di risolvere le equazioni del modello, ma di dare la risposta piu’ probabile, cioe’ la situazione del tempo ad una certa data.

A questo punto la domanda e’: quali sono i parametri che vengono misurati e perche’ le previsioni a volte sbagliano?

Mentre la prima risposta e’ abbastanza semplice ed intuibile per tutti, la seconda e’ una domanda un po’ piu’ complessa e che merita qualche considerazione aggiuntiva.

Riguardo ai parametri, come potete facilmente immaginare, si tratta di osservare le nuvole, la quantita’ di precipitazioni nel mondo, i gradienti di temperatura e pressione lungo l’atmosfera, i venti ma soprattutto di modellizzare i fenomeni meteorologici dal punto di vista fisico. Se due masse d’aria di temperatura diversa si scontrano, con quale probabilita’ si formeranno nuvole cariche di pioggia? Come vedete, in questo senso, il comportamento in atmosfera, e dunque la fisica, deve essere coniugato con i parametri osservati sul campo.

Partiamo dunque proprio dalla misure sul campo per capire l’affidabilita’ delle previsioni.

Prima di tutto, le osservazioni si basano su una griglia di misura che non copre in maniera adeguata tutta la superficie terrestre. Mentre i satelliti possono osservare praticamente tutto il mondo, le sonde in atmosfera, che forniscono i parametri ambientali, lasciano ampie aree scoperte. Con questo si intende che alcune zone della Terra non sono affatto sfiorate dalle misure. Dovendo trattare un sistema complesso come l’atmosfera, avere delle aree scoperte rappresenta sicuramente un limite. Inolre, l’atmosfera cambia i suoi parametri molto rapidamente, mentre per le previsioni i dati vengono letti ad intervalli regolari e, quindi, non con continuita’.

Sempre sulla stessa scia della griglia dei parametri, ad oggi ancora non e’ del tutto chiaro come la temperatura superficiale delle acque, cioe’ degli oceani, possa influire sul meteo. Come e’ facile immaginare, negli oceani possono essere presenti correnti a temperatura diversa ma e’ impensabile misurare in ogni punto dell’oceano la temperatura superficiale. A riprova di questo, basti pensare, ad esempio, al fenomeno del Nino o della Nina.

Ad oggi, l’affidabilita’ di una previsione a 24 ore e’ circa del 90%, mentre diviene dell’80% a distanza di 3 giorni. Questa stima scende rapidamente al 50% calcolando invece le previsioni ad una settimana. Praticamente, e’ come lanciare una monetina. Visti questi numeri, capite immediatamente come sia assurdo dare previsioni a 2 settimane, oppure sentir parlare ora di come sara’ il tempo quest’estate. Previsioni di questo tipo sono per scopi puramente commerciali e niente hanno a che vedere con la scienza.

Molto spesso, mi viene fatto l’esempio delle previsioni in formula 1. In un gran premio, se dicono che dopo 5 minuti iniziera’ a piovere, potete essere sicuri che accadra’. Perche’? Prima di tutto, si tratta di previsioni a brevissima scadenza, massimo a 30 minuti. Inoltre, si tratta di previsioni fatte in una zona ben precisa e circoscritta che riguarda l’area del circuito. In questo senso, l’attendibilita’ delle previsioni date arriva quasi a sfiorare il 100%.

A questo punto pero’ vorrei spezzare una lancia in favore della meteorologia per farvi capire le difficolta’ reali nell’elaborazione dei dati.

Credo che quasi tutti conoscano il cosiddetto “Effetto Farfalla”: Il battito di ali di una farfalla in Europa puo’ provocare un uragano negli Stati Uniti. Spesso viene raccontato utilizzando luoghi diversi, ma il senso e’ sempre lo stesso: basta un avvenimento minimo per cambiare irreparabilmente il futuro di qualcosa.

Da dove nasce l’effetto farfalla? Forse non tutti sanno che venne formulato proprio parlando di meteorologia.

Il supercomputer ENIAC del 1947

Il supercomputer ENIAC del 1947

Il primo che provo’ a calcolare previsioni meteo in maniera scientifica fu John Von Neumann utilizzando il piu’ potente Super Computer disponibile nel 1950, l’ENIAC. Si tratto’ del quarto computer realizzato nella storia ed in grado di fare calcoli che farebbero ridere un’odierna calcolatrice tascabile. Pensate che durante la cerimonia di inaugurazione, l’ENIAC lascio’ tutti a bocca aperta perche’ calcolo’ in un secondo il risultato di 97367 elevato alla 5000 causando un blackout in una vasta zona di Filadelfia. L’utilizzo principale di questo computer era per il calcolo balistico nel lancio dei missili, ma venne poi utilizzato anche per altri scopi, tra cui per le previsioni del tempo da Von Neumann.

Per darvi un’idea, dati i valori in ingresso, l’ENIAC era in grado di fornire in 24 ore, la previsione per le prossime 24 ore. Capite dunque l’inutilita’ di queste previsioni, arrivato il risultato bastava aprire la finestra per verificarlo, ma servi’ per spianare la strada ai moderni calcoli.

Cosa c’entrano l’ENIAC, Von Naumann e l’effetto farfalla con l’affidabilita’ delle previsioni del tempo?

Dalle previsioni di Von Neumann con l’ENIAC si evidenzio’ come modificando i parametri in ingresso di una quantita’ piccola a piacere, il risultato a distanza di 24 ore, poteva essere radicalmente diverso. Questo risultato venne poi ripreso da Lorenz che fu il primo a formulare l’effetto farfalla cosi’ come lo conosciamo oggi.

Analizzando questi risultati, capite bene quali siano le difficolta’ delle previsioni del tempo. Abbiamo a disposizione dati spesso incompleti, i parametri atmosferici possono cambiare repentinamente modificando completamente la situazione, una minima variazione dei parametri atmosferici puo’ cambiare radicalmente il risultato della previsione anche a breve termine.

Concludendo, la meterologia e’ una scienza molto complessa e non facilmente parametrizzabile mediante funzioni matematiche. Questo limite delle simulazioni e’ esattamente lo stesso di cui abbiamo parlato analizzando il calcolo della rotta di un asteroide. Anche in questo caso, una minima variazione delle condizioni al contorno del nostro problema possono modificare completamente il risultato. Proprio per questo motivo, in astrofisica cosi’ come in meteorologia e’ importante misurare in continuazione i dati ambientali.

Detto questo, se le previsioni a 2 settimane risultano sbagliate, la colpa e’ anche nostra che pretendiamo di avere qualcosa di non calcolabile. Se le previsioni ad un giorno sono sbagliate, pensate che forse c’e’ stata qualche farfalla di troppo.

 

 

 

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