All'interfaccia tra robotica e apprendimento automatico

Dieci anni fa potevano a malapena muoversi. Oggi, i robot autonomi che camminano sviluppati da Marco Hutter e dal suo team stanno cambiando un intero settore e, in futuro, questi robot altamente mobili assisteranno nelle operazioni di ricerca e salvataggio o addirittura esploreranno altri pianeti. Il professore del Dipartimento di Ingegneria meccanica e di processo del Politecnico di Zurigo è stato insignito del Premio R?ssler di quest'anno per la sua ricerca. ? una pietra miliare, persino una vittoria di tappa, in un percorso che per Hutter è iniziato con una semplice domanda: "Come dobbiamo costruire i robot in modo che possano muoversi su qualsiasi terreno come un essere umano o un animale?".

? apparso subito chiaro: invece di un cingolo o di una ruota motrice, si trattava di gambe. Tuttavia, questa risposta sollevava la questione di come dovesse apparire e funzionare una trasmissione a gambe per un robot. "Abbiamo quindi iniziato a sviluppare nuovi concetti di azionamento e controllo, anche se inizialmente i robot non erano in grado di fare nulla ed erano lontani dall'essere un'applicazione utile", spiega Hutter.

Robot che superano gli ostacoli - e non solo

Nel corso degli anni, le tecnologie si sono costantemente evolute, tanto che oggi i robot sono in grado di navigare sui terreni più difficili e possono essere utilizzati nel mondo reale. Marco Hutter fornisce alcuni esempi: "I nostri robot itineranti sono ora utilizzati a livello commerciale per lavori di ispezione industriale e stiamo ricercando nuove capacità che in futuro consentiranno missioni di esplorazione o di salvataggio in ambienti completamente sconosciuti".

Il team di Marco Hutter si affida da anni all'intelligenza artificiale: l'apprendimento automatico viene utilizzato per insegnare al robot a comprendere l'ambiente circostante e a interagire con esso. Quando il robot cammina incontra un ostacolo, utilizza una telecamera e una rete neurale artificiale per riconoscere il tipo di ostacolo. Quindi esegue i movimenti che ha precedentemente appreso durante l'addestramento per essere promettente. Quasi come un cane curioso. Non stupisce quindi che il robot a quattro zampe si chiami "ANYmal", una parola artificiale composta da "anywhere" e "animal".

La ricerca di base condotta dal team di Hutter non viene utilizzata solo nel campo della robotica ambulante. "Oggi utilizziamo le tecnologie per l'autonomia, la percezione ambientale e l'apprendimento automatico per il controllo, ad esempio per automatizzare escavatori e macchine forestali, per i robot in agricoltura o per i compiti di logistica", aggiunge Hutter.

Premio per un pioniere

Il lavoro di Hutter sulla mobilità e l'autonomia dei robot deambulanti controllati dall'intelligenza artificiale ha cambiato radicalmente la ricerca sulla robotica e allo stesso tempo ha contribuito ad affermare il Politecnico di Zurigo come istituzione leader a livello mondiale nel campo della robotica. Per questi risultati Hutter riceve il Premio R?ssler di quest'anno. Il premio non riconosce solo i suoi risultati scientifici pionieristici - il rivoluzionario sistema di controllo della locomozione basato sull'apprendimento automatico è ora uno standard sviluppato all'ETH. Il premio riconosce anche l'alto livello raggiunto da Hutter nelle aree del trasferimento tecnologico, dell'imprenditorialità e delle iniziative comunitarie e progettuali. Hutter è riuscito a "creare una vasta rete di cooperazione", spiega il presidente del Politecnico di Zurigo Jo?l Mesot. "? un grande onore ricevere il Premio R?ssler 2024. Ho conosciuto R?ssler più di dieci anni fa, quando ero ancora agli inizi della mia ricerca. Allora non avrei mai pensato di ricevere un tale onore", afferma Marco Hutter.

Creatività e competenza interdisciplinare

Fin da piccolo, Hutter si è interessato a come vengono costruite le macchine e a come funzionano i meccanismi. Non c'è da stupirsi che sia stato attratto dal Politecnico di Zurigo, dove ha scritto la sua tesi di laurea sulla microrobotica, seguita da una tesina e da uno stage industriale sui sistemi di controllo. Grazie ai suoi eccellenti risultati nel programma di Bachelor, ha ottenuto una delle prime borse di studio di eccellenza della Fondazione ETH per il Master. Hutter ha scritto la sua tesi di Master sulla modellazione e la robotica della camminata sotto la guida di Roland Siegwart, professore di sistemi autonomi.

Questo gli ha permesso di acquisire competenze importanti per la ricerca di nuove domande nel campo della robotica. "Quando qualcuno mi chiede cosa faccio, spesso rispondo: gioco per gli adulti. Credo che sia necessario giocare per sviluppare creativamente nuove idee e, allo stesso tempo, il lavoro è molto divertente", spiega Hutter. Una solida base teorica è essenziale, che si tratti di matematica, ingegneria del controllo o apprendimento automatico. La robotica è un campo interdisciplinare. "Lavoriamo insieme a scienziati ambientali, architetti, geologi, esperti del settore edile e di molte altre discipline. Questo rende il lavoro molto interessante. Bisogna avere una mentalità aperta e saper lavorare in modo interdisciplinare", aggiunge.

Trasferimento tecnologico e spirito imprenditoriale

Dieci anni fa, Marco Hutter ha ricevuto una borsa di studio per pionieri dalla Fondazione ETH e, insieme al suo team di ricerca, ha fondato l'allora start-up ANYbotics. La borsa di studio per pionieri ha contribuito a portare la tecnologia dei robot deambulatori dalla ricerca all'applicazione commerciale. Il trasferimento della tecnologia dalla scienza alla pratica è un elemento importante del lavoro di Hutter. Hutter non si limita a ricerche teoriche, basate su simulazioni o concettuali, ma va oltre la prova di concetto e dimostra soluzioni che funzionano in scenari realistici. Hutter è titolare di sei brevetti e ha sviluppato un forte spirito imprenditoriale nel suo gruppo, da cui sono nati finora otto spin-off dell'ETH.

Un esempio attuale della verifica della realtà delle ultime ricerche nel campo della manipolazione mobile è la partecipazione al Cybathlon di quest'anno, che si concentra su come le persone con limitazioni fisiche possono essere supportate da sistemi di assistenza robotica. Il robot può prendere a comando una mela dal tavolo e porgerla a qualcuno per mangiarla, aprire una porta o prendere qualcosa dalla cassetta delle lettere. Fino ad oggi, questi compiti richiedevano sempre una persona aggiuntiva.

Questo apre nuove possibilità per l'autonomia e l'autodeterminazione delle persone con disabilità fisiche, e gli esempi sono sempre più numerosi. Ma Hutter ridimensiona un po' le aspettative: nonostante questi progressi, i sistemi sono ancora molto semplici rispetto agli esseri umani o agli animali. "L'obiettivo è quindi quello di collegare sempre più i robot con una migliore comprensione del loro ambiente. Ad esempio, un robot in un edificio deve sapere cos'è una porta e come funziona, o che molto probabilmente dovrà andare in cucina a prendere una mela", aggiunge Hutter.

Dalla bonifica delle munizioni a Marte

Marco Hutter e il suo team sono intensamente impegnati in vari settori in cui possono utilizzare i loro sistemi, spesso in aree in cui è troppo pericoloso per l'uomo, come lo sgombero di munizioni dall'ex deposito di munizioni di Mitholz.

Hutter covava da tempo il desiderio di utilizzare i robot del Politecnico nello spazio. Nel corso degli anni ha ripetutamente dimostrato che i robot che camminano possono superare pendenze e ostacoli molto meglio di quelli con cingoli o ruote. "Sebbene sia complesso, la tecnologia è ormai così avanzata da poter superare queste sfide", afferma Hutter. Per questo motivo è ora possibile pensare a nuove applicazioni. Ad esempio, i robot potrebbero arrampicarsi sui crateri di Marte o della Luna, effettuarvi esplorazioni e fornire dati a cui prima non avevamo accesso.