I robot che corrono da questa parte

Nella pit lane dell'autostrada Homestead-Miami in Florida, all'interno di una pista su cui le auto da corsa a volte viaggiano a più di 300 chilometri all'ora, una piccola folla sta guardando qualcosa di considerevolmente più lento ma probabilmente molto più impressionante. In un soleggiato sabato mattina poco prima di Natale, un robot che somiglia grosso modo a una persona grossa sta contemplando una porta improvvisata sull'asfalto davanti a sé. Rileva la porta utilizzando uno scanner laser e un paio di telecamere nella sua testa; poi, dopo una lunga pausa, il robot allunga un luccicante braccio di alluminio, apre la porta ed entra lentamente.

Il robot, chiamato Atlas e realizzato da Boston Dynamics, sta partecipando al DARPA Robotics Contest, organizzato dalla U.S. Defense Advanced Research Projects Agency. Durante il fine settimana, robot di varia forma e design, tutti controllati a distanza, tentano sfide volte a testare i limiti del rilevamento, della manipolazione e dell'agilità artificiali. Ogni compito è ispirato da un lavoro che potrebbe aiutare a fermare una perdita in una centrale nucleare colpita. I lavori sono apparentemente semplici, ma non per i robot. In uno, le macchine devono attraversare un cumulo di macerie; in un altro devono salire su un'alta scala.

Molti dei robot fanno fatica a completare le attività senza malfunzionamenti, blocchi o ribaltamenti. Di tutte le sfide che devono affrontare, una delle più difficili, e potenzialmente la più importante da superare, è semplicemente camminare su un terreno irregolare, instabile o semplicemente disordinato. Ma i robot Atlas (diversi gruppi accademici sono entrati nelle versioni della macchina Boston Dynamics) camminano su questo terreno con una sicurezza impressionante.

Un paio di volte al giorno, la folla vede altri due robot con le gambe realizzati da Boston Dynamics. In una demo, una macchina a quattro zampe delle dimensioni di un cavallo trotta lungo la pista trasportando diversi grandi zaini; muove abilmente i piedi per rimanere in piedi quando è momentaneamente sbilanciato da un forte calcio del suo operatore. In un altro, una macchina a quattro zampe più piccola e più agile fa girare un rumoroso motore diesel, quindi si lancia in modo maniacale lungo la pista come un grosso gatto, raggiungendo rapidamente quasi 20 miglia all'ora.

La folla, piena di ricercatori di robotica provenienti da tutto il mondo e curiosi membri del pubblico, sussulta e applaude. Ma la tecnologia per camminare e correre che si trova nelle macchine sviluppate da Boston Dynamics è molto più che abbagliante. Se può essere migliorato, allora questi robot, e altri come loro, potrebbero uscire dai laboratori di ricerca e popolare il mondo con macchine mobili intelligenti. Questo aiuta a spiegare perché pochi giorni prima della DARPA Challenge, Boston Dynamics è stata acquisita da Google.

Parte 1
Imparare a saltare

Pochi mesi prima del concorso DARPA, ho visitato Boston Dynamics, che occupa un edificio dall'aspetto ordinario ai margini di un tranquillo parco industriale a Waltham, nel Massachusetts, a 20 minuti di auto da Boston. All'ingresso, robot a quattro zampe di varie forme e dimensioni sembrano fare la guardia. All'interno del grande laboratorio all'interno, dozzine di ingegneri hanno armeggiato su ogni sorta di bestia meccanica. In un angolo, una piccola macchina a quattro zampe con un collo lungo e una pinza al posto della testa stava usando l'appendice per scagliare blocchi di cenere sul pavimento.

Tutte queste macchine hanno le loro origini nel lavoro innovativo svolto da Marc Raibert, fondatore e chief technology officer di Boston Dynamics. Sulla parete dell'ufficio di Raibert, accanto a un grande poster che mostra Atlas in grande dettaglio tecnico, c'è un piccolo poster che identifica vari dinosauri. Ricorda di essersi interessato alla locomozione animale mentre studiava per un dottorato di ricerca nel dipartimento di scienze cognitive e del cervello al MIT alla fine degli anni '70, quando due importanti fisiologi vennero a parlare di ricerca sulla locomozione dei gatti. Affascinato da come un cervello può produrre una tale agilità senza sforzo, Raibert ha escogitato un piano per iniziare a costruire macchine per esplorare il fenomeno quando ha ottenuto un lavoro come assistente professore alla Carnegie Mellon University nel 1980.

Altri accademici avevano costruito macchine per camminare. Alcuni avevano molte gambe, per assicurarsi che sollevarne uno per camminare in avanti non li avrebbe sbilanciati. Altri si muovevano con estrema attenzione e deliberatamente per mantenere un equilibrio precario. Le macchine erano goffe, lente e nel complesso una pessima imitazione della maggior parte della locomozione biologica. In molti casi, anche il minimo scivolamento o spinta li farebbe cadere.

Dimostrando una notevole intuizione, Raibert decise che il suo primo robot ambulante non sarebbe stato progettato per evitare l'instabilità che il movimento può introdurre; lo abbraccerebbe. Invece di sei gambe o addirittura quattro, ne ha dato solo uno.

Il robot dovrebbe rimbalzare sulla sua singola gamba, valutando il proprio movimento e orientamento ad ogni salto, e regolare rapidamente la posizione della sua gamba e del suo corpo, nonché la quantità di energia che la sua gamba dovrebbe spendere con il salto successivo. I calcoli erano sorprendentemente semplici.

Sorprendentemente, il robot ha funzionato perfettamente, saltellando come un pogo stick posseduto. Mentre la prima versione era limitata nel suo movimento, la successiva poteva saltare liberamente per il laboratorio. Ricordo ancora: credo fosse un giorno di agosto del 1983, ricorda Raibert. Eravamo tutti in piedi a sorridere. Spingevamo la macchina e viaggiava attraverso la stanza finché l'altro ragazzo non la prendeva e poi la spingeva indietro.

Raibert sapeva che un animale che salta diventa sbilanciato mentre salta e deve adattarsi costantemente, e che usa la gravità per muoversi. Il rudimentale robot saltellante ha risolto gli stessi problemi e ha mostrato come costruire macchine più agili. Mi sembrava la dinamica del [movimento biologico], dove c'è molta energia e movimento, dove c'è sempre una mancia, che quelle erano davvero le caratteristiche che volevi ottenere, ricorda.

Ispirati dal successo dell'approccio, Raibert e i suoi studenti hanno iniziato a costruire macchine con altre gambe utilizzando ciò che i robotisti chiamano equilibrio dinamico, una capacità di utilizzare il movimento per mantenere l'equilibrio. La versione successiva trotterellava su due zampe anteriori e due posteriori. Altri robot avevano giunti, attuatori e software di controllo molto più sofisticati.

Nel 1986 il Leg Lab di Raibert si trasferì dalla CMU al MIT, dove sviluppò altri robot in grado di camminare, rimbalzare, correre e saltare in modi che spesso sembravano stranamente riconoscibili. Le macchine avevano nomi ispirati a controparti biologiche. Spring Flamingo e Spring Turkey si pavoneggiavano intorno al laboratorio come uccelli giganti, mentre Uniroo saltellava usando una coda per bilanciarsi, come un goffo canguro con una gamba sola.

Raibert ha fondato la Boston Dynamics nel 1995, inizialmente per vendere software di simulazione sviluppato nel suo laboratorio. Ma la società si è anche consultata su progetti di robotica commerciale, incluso lo sviluppo di AIBO e QRIO, giocattoli robotici che Sony ha realizzato rispettivamente nel 1999 e nel 2003. E un contratto con la DARPA, nel 2003, ha visto Boston Dynamics iniziare a produrre le proprie macchine con le gambe.

Parte 2
Imparare a correre

Grande cane

Nel 2003, armata di un contratto DARPA per la creazione di un prototipo di veicolo in grado di seguire le truppe su un terreno inaccessibile ai veicoli a ruote o cingolati, Boston Dynamics ha iniziato a sviluppare BigDog, una macchina a quattro zampe all'incirca delle dimensioni di un grande bovaro bernese. Il robot doveva essere in grado di navigare su un terreno disordinato e imprevedibile del mondo reale. Ciò significava che doveva essere resistente, eccezionalmente agile, in grado di trasportare la propria fonte di energia e in grado di rilevare il proprio movimento - e l'ambiente - in modo più dettagliato rispetto a qualsiasi macchina da passeggio costruita prima.

La maggior parte delle cose di laboratorio che avevamo fatto fino a quando BigDog non si trovava in un ambiente di laboratorio piuttosto benigno, dice Raibert. Era pulito, era asciutto ed era piatto.

La macchina risultante era alimentata da un motore di go-kart e utilizzava 69 sensori per monitorare il movimento delle sue gambe, le forze esercitate su quegli arti e fattori tra cui la temperatura e la pressione idraulica. Usando l'equilibrio dinamico, potrebbe camminare su sabbia, neve e persino ghiaccio. Più spettacolare, potrebbe rimanere in piedi quando viene dato un calcio forte. BigDog può essere guidato a distanza, ma il suo comportamento di bilanciamento, come quello di altri robot Boston Dynamics, è controllato automaticamente da un computer di bordo.

LS3

Con ulteriori finanziamenti militari, inclusi alcuni soldi dai Marines, Boston Dynamics ha iniziato a costruire una versione più grande e più potente di BigDog nel 2009. Soprannominato Alpha Dog, ma ufficialmente chiamato Legged Squad Support System, o LS3, il robot ha le dimensioni di un cavallo e può trasportare 180 chilogrammi, o quattro zaini a pieno carico dei Marines, per un massimo di 20 miglia al giorno su terreni accidentati.

Come BigDog, LS3 utilizza uno strumento laser, o lidar, e videocamere stereo nella sua testa per identificare gli ostacoli, mappare i dintorni e seguire un soldato che cammina fino a 45 metri più avanti, identificato da una toppa riflettente. La scorsa estate, i Marines hanno iniziato a testare LS3 in una base nel deserto in California e nei boschi di Fort Devens nel Massachusetts. Questi test hanno coinvolto missioni di combattimento simulate con LS3 come mulo da soma.

gatto selvatico

DARPA ha anche fornito finanziamenti per un robot a quattro zampe più mobile, agile e più veloce. La prima versione, Cheetah, può correre a 47 chilometri all'ora su un tapis roulant mentre è attaccata a una barra stabilizzatrice. Boston Dynamics ha sviluppato una versione più grande e libera, chiamata WildCat, nel 2013. Come Cheetah, WildCat flette il corpo per estendere la falcata e aumentare la velocità. Può funzionare a 26 chilometri all'ora sotto controllo remoto. Boston Dynamics ha pubblicato un video online del robot che salta e galoppa nel suo parcheggio.

Parte 3
Imparare a camminare

Nel 1989, uno degli studenti laureati di Raibert, Rob Playter, che era stato un campione di ginnasta presso l'Ohio State, lo aiutò a costruire un robot a due gambe in grado di eseguire capriole e altre acrobazie su un tapis roulant o mentre saltellava intorno al laboratorio. La capriola si stava mettendo in mostra, ammette Raibert. Ma ha dimostrato un livello di controllo che prometteva di aiutare i robot a navigare su terreni molto più difficili. Ha anche suggerito come le macchine potrebbero un giorno muoversi in ambienti progettati per gli esseri umani. Le ruote sono un ottimo modo per muoversi quando il terreno davanti è piatto e sgombro, ma una ruota non può facilmente salire le scale o superare una sedia rovesciata. Se i robot verranno mai utilizzati ampiamente nelle nostre case, è probabile che dovranno camminare.

Poiché organizziamo le nostre case per adattarsi agli esseri umani, è molto importante che i robot abbiano le stesse competenze di locomozione e manipolazione degli esseri umani, afferma Gill Pratt, il manager del programma DARPA responsabile della sfida robotica. Le gambe possono fornire un enorme vantaggio su ruote e cingoli; una gamba non ha bisogno di un percorso continuo di appoggio; una gamba può scavalcare le cose, il che è una cosa straordinaria.

L'ispirazione specifica per la DARPA Robotics Challenge è arrivata in circostanze drammatiche, quando un terremoto ha colpito le coste del Giappone nel marzo 2011. I tentativi di ripulire il reattore nucleare danneggiato a Fukishima hanno evidenziato i limiti dei migliori robot esistenti e hanno mostrato la necessità di macchine che può navigare meglio nel mondo umano. DARPA ha ideato la sua sfida per ispirare i robot che potrebbero aiutare se una situazione del genere si verificasse di nuovo. I robot devono essere in grado non solo di lavorare in ambienti progettati per l'uomo, ma anche di navigare in quei siti dopo che sono stati gravemente danneggiati.

Atlas si è comportato bene a Miami, ma è ben lungi dall'essere perfetto. Per prima cosa, la potenza necessaria per azionare i suoi sistemi idraulici ne limita l'utilità. Ciascuno dei robot schierati nel concorso richiedeva generatori esterni per alimentare la propria idraulica; i generatori sono troppo grandi da trasportare, relativamente inefficienti e rumorosi. Anche se le versioni future di Atlas sono destinate a trasportare la propria fonte di alimentazione, questa sarà ancora una soluzione rudimentale fino a quando i ricercatori non riusciranno a capire come rendere le macchine molto più efficienti dal punto di vista energetico.

La percezione è un'altra grande sfida. Atlas utilizza l'equilibrio dinamico e può scansionare l'ambiente circostante alla ricerca di ostacoli, ma il modo in cui utilizza queste informazioni per navigare è ancora lento e rozzo. Se guardi qualcuno ballare, arrampicarsi o fare parkour, siamo incredibilmente lontani [da] un robot in grado di farlo, dice Pratt.

Durante la sfida DARPA, Atlas ha operato in parte in modo autonomo, in quanto i team potevano fornire istruzioni specifiche e comandargli di eseguire un compito, ma gran parte del comportamento del robot, incluso il suo riequilibrio in una frazione di secondo, è avvenuto automaticamente. La visione di DARPA è che i robot di soccorso operino in questo modo, con gli esseri umani che forniscono guida e assistenza, ma i robot funzionano autonomamente quando necessario, ad esempio quando un collegamento di comunicazione non funziona. Ma se i robot dovessero mai svolgere i tipi di compiti che alcuni immaginano, come aiutare gli anziani in casa, dovranno avere la capacità di lavorare con ancora maggiore autonomia.

Tornato nella corsia dei box, vicino a un garage requisito da un team di supporto della Boston Dynamics, Raibert afferma che gli esseri umani e gli animali hanno una mobilità straordinaria, più di qualsiasi veicolo creato dall'uomo, quindi ha senso creare robot con le gambe. Lasciami solo dire che penso che il futuro della robotica debba andare lì, dice, appena prima che uno dei suoi robot inizi a camminare con sicurezza su un mucchio di macerie. Puoi fare cose ora senza di essa, ma alla fine lo vorrai davvero, ed è quello che speriamo di abilitare.

Storia di
Will Knight

Sviluppo front-end di
Drew Chandler

Fotografia principale di
Adam DeTour

Ulteriori fotografie e video per gentile concessione di
Boston Dynamics

Direttore creativo
Eric Mongeon

Produttore Web Senior
Kyanna Sutton

Senior Software Engineer
Molly Frey

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