Un futuro … robotico

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

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

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

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.

Il sistema di posizionamento Galileo

Notizia fresca di questi giorni, che forse avrete letto anche sui  giornali, e’ stato lanciato il quarto satellite del sistema di navigazione e localizzazione Galileo. L’insieme dei quattro satelliti ha dato ufficialmente il via alla ricezione di questo sistema di localizzazione europeo.

Il principio di funzionamento, cosi’ potete leggere, e’ come quello del GPS americano, ma in questo caso si tratta di un sistema tutto europeo. Al momento sono in orbita 4 dei 30 satelliti previsiti che formerano la costellazione appunto del sistema Galileo.

Bello direte voi, ma questa notizia dovrebbe suscitare un po’ di curiosita’ e soprattutto una serie di domande lecite che vorrei condividere con voi: come funziona il GPS? Perche’ se c’era quello americano ne dobbiamo fare uno europeo? Che vantaggi comporta?

Tutte domande lecite a cui proveremo a dare una risposta semplice e accessibile a tutti.

Al solito, provate a fare un esperimento-intervista. Chiedete, anzi chiedetevi, come funziona il GPS che avete in macchina, sul cellulare, sul portatile, ecc. Molto spesso la risposta data e’ la seguente: semplice, si accende un antenna, questa comunica con un satellite che ci localizza e il gioco e’ fatto, otteniamo un puntino su una mappa che indica la nostra posizione “esatta”. Una risposta del genere e’ completamente sbagliata in diversi punti. Se questa e’ stata la vostra risposta, forse e’ il caso di continuare la lettura.

Partiamo dall’inizio. Abbiamo il problema di localizzare la nostra posizione in un punto qualsiasi della Terra. Come facciamo? Semplice, utilizziamo dei satelliti. Se non altro, l’utilizzo di satelliti ci permette, in linea di principio, di essere sempre localizzabili indipendentemente dalla posizione. In Europa, in Asia, nell’oceano, se alzate la testa vedete il cielo e quindi potenzialmente il satellite.

Satelliti visibili dal ricevitore nel tempo

In realta’, non e’ proprio esattamente cosi’. Un solo satellite che gira intorno alla Terra non sarebbe sempre visibile. Per dirla tutta, un solo satellite non consentirebbe neanche di localizzarci, ma ne servono ben quattro visibili da dove siamo. Su questo torneremo tra poco. Dunque, un solo satellite non basta ne servono 4. Per questo motivo, la costellazione di satelliti GPS e’ formata da un numero grande di oggetti in orbita in modo da poter garantire sempre ed in ogni punto la visibilita’ di almeno 4 satelliti. L’immagine riportata permette di chiarire molto bene questo concetto. Come vedete, mentre i satelliti girano intorno alla Terra, viene riportato in ogni istante il numero di satelliti visibili. Affinche’ la vostra rete sia funzionale, questo numero non deve mai essere minore di quattro.

Fin qui ci siamo. Abbiamo bisogno di 4 satelliti. Non abbiamo ancora risposto alle domande iniziali, anzi ne abbiamo aggiunta un’altra: perche’ 4 satelliti?

Cerchiamo ora di capire come funziona il GPS. In realta’, l’antenna del vostro sistema non comunica affatto con i satelliti, ma e’ solo un “ricevitore” di segnali. In ogni istante, i satelliti inviano verso la terra dei segnali che l’antenna e’ in grado di ricevere. Questi segnali sono di tipo orario, cioe’ contengono l’informazione sull’ora del loro invio. Il metodo di localizzazione si basa appunto sulla differenza di tempo tra l’invio del segnale da parte del satellite e la sua ricezione dall’antenna. Conoscendo la velocita’di propagazione del segnale, dalla differenza di tempo possiamo ricavare la distanza del ricevitore dal satellite.

Ora, dovendo posizionare un punto sulla mappa corrispondente al ricevitore, avete bisogno di 3 informazioni: latitudine, longitudine e altitudine. Avete cioe’ 3 incognite da calcolare. Come ricorderete dalla matematica, per risolvere un sistema di 3 incognite c’e’ bisogno di 3 equazioni indipendenti. 3 equazioni significa dunque avere l’informazione contemporaneamente da 3 satelliti. Proprio per questo motivo si parla di “triangolazione” della posizione.

Ricapitoliamo: 3 incognite per la posizione esatta, 3 equazioni che sono i 3 satelliti, e fin qui ci siamo. Perche’ prima parlavamo di 4 satelliti?

Abbiamo detto che tutto il gioco si basa sulla misura del tempo impiegato dal segnale per andare dal satellite al ricevitore. Detto proprio semplicemente, il satellite manda un segnale dicendo sono le 12.00 il ricevitore ascolta il segnale, vede che sono le 12.01 e quindi capisce che e’ passato un minuto (in realta’ la differenza temporale e’ tipicamente dell’ordine dei millisecondi). Facile a dirsi ma non a farsi. Affinche’ questo gioco funzioni, i satelliti ed il ricevitore devono essere perfettamente sincronizzati.

I satelliti del GPS utilizzano degli orologi atomici al Cesio o al Rubidio, estremamente precisi, ma che costano piu’ o meno 200000 euro l’uno. Il nostro piccolo e economico ricevitore certamente non dispone di un sistema del genere. Dunque, per localizzare il punto non servono piu’ 3 incognite bensi’ 4, compreso il tempo. Il quarto satellite serve appunto per determinare anche l’informazione temporale.

Solo per completezza di informazione, la localizzazione GPS sarebbe impossibile senza le dovute correzioni date dalla relativita’ di Einstein. Il tempo sul satellite scorre ad un ritmo leggermente piu’ veloce rispetto alla Terra (dilatazione dei tempi). Se questo effetto non fosse incluso, le misure dei tempi di percorrenza sarebbero sistematicamente sbagliate. La funzionalita’ del GPS e’, se vogliamo, anche una conferma pratica dell’esistenza della relativita’.

Dunque, abbiamo capito come avviene la localizzazione. Torniamo ora al discorso satelliti. In ogni istante ed in ogni punto della Terra devo dunque poter vedere almeno 4 satelliti. Quello che oggi chiamiamo GPS sfrutta, come detto all’inizio, la costellazione di satelliti americani chiamata NAVSTAR GPS costituita in tutto da 31 satelliti. Questi sono disposti su sei piani orbitali con un’inclinazione di 55 gradi sul piano equatoriale. Maggiore e’ il numero di satelliti utilizzati simultaneamente, minore e’ l’incertezza con cui si possono ricavare le incognite, e dunque la posizione del ricevitore.

La precisione attuale del NAVSTAR e’ dell’ordine di qualche metro. Fino a prima del 2000, la qualita’ del sistema per uso civile era dell’ordine dei 200 metri a causa dela distorsione fatta appositamente sui segnali per uso civile, mentre per gli usi militari veniva data qualita’ massima. Questa distinzione, detta anche “disponibilita’ selettiva” e’ stata eliminata su volere del presidente Clinton e, di fatto, ha aperto la strada ai sistemi GPS portatili per scopi civili.

Abbiamo risposto gia’ a 2 domande su 3. Sappiamo ora come avviene la localizzazione e perche’ servono 4 satelliti. Torniamo ora a Galileo.

Galileo prevede una costellazione di 30 satelliti che diverra’ pienamente operativa a partire dal 2014. Ad oggi, e sappiamo ora anche il perche’, sono stati lanciati 4 satelliti e dunque e’ possibile fare i primi studi sui segnali e cominciare a testare la qualita’ del sistema.

Perche’ fare un nuovo sistema se c’e’ gia’ quello americano? In realta’, in orbita ci sono due sistemi di navigazioni indipendenti, il NAVSTAR americano e il GLONASS russo, quest’ultimo pero’ scarsamente manutenuto negli ultimi tempi. La motivazione del Galileo e’ piu’ politica che scientifica. Il NAVSTAR e il GLONASS per uso civile sono sempre subordinati all’effettivo utilizzo militare dei due paesi. In qualsiasi momento, uno dei due paesi potrebbe decidere di chiudere il servizio civile per un qualsiasi motivo. Non pensate soltanto al navigatore della vostra automobile, il GPS e’ utilizzato in tutti i sistemi di navigazione civili come aerei, navi, antifurti satellitari, ecc. Una, seppur improbabile (forse), decisione del genere causerebbe un danno irreparabile. La necessita’ dunque di interrompere un monopolio di localizzazione ha spinto i paesi europei ha dotarsi di un proprio sistema satellitare.

Inoltre, a differenza di quello made in USA, il Galileo gode dei finanziamenti di diversi paesi attraverso la comunita’ europea e non solo. Diversi paesi extraeuropei, come Israele, Cina e Russia (come integrazione del GLONASS), stanno contribuendo a Galileo appunto per assicurare un servizio civile costante.

Solo per completezza, esistono anche dei sistemi minori di tipo regionale attualmente in fase di studio. Sia l’India che la Cina stanno infatti portando avanti gli studi per dotarsi di sistemi proprietari esclusivi non globali. In questo caso, ma si tratta di una mia considerazione personale, programmi di questo tipo servono soltanto per prendere confidenza e dimostrare agli altri la possibilita’ di accedere allo spazio mediante satelliti. Come sappiamo, si tratta di economie definite “emergenti”, anche se ormai emerse del tutto, e proprio per questo interessate alla corsa allo spazio su tutti i fronti.

Concludendo, i primi 4 satelliti di Galileo sono in orbita. Nel giro di qualche anno la costellazione di satelliti dovrebbe essere completata e funzionante. Questo sistema, parallelo al NAVSTAR, consentira’ la localizzazione sulla Terra garantendo la funzionalita’ civile sempre e indipendentemente dalla situazione politica. Dal punto di vista economico, ci saranno vantaggi anche per le aziende europee che potranno produrre e commercializzare ricevitori per Galileo mentre prima con il NAVSTAR questo settore era riservato ad aziende americane.

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