L’Intelligenza artificiale impara dalla Natura: come i Robot si organizzeranno in sciami (finalmente)

La natura, si sa, ha avuto qualche milione di anni di vantaggio su di noi per fare ricerca e sviluppo. Osservare uno stormo di uccelli che si muove come un unico organismo, un banco di pesci che sfugge a un predatore con una coordinazione perfetta o le api che operano all’unisono, è uno spettacolo di efficienza. Nessun capo, nessun server centrale, nessuna riunione su Zoom. Solo un’intelligenza collettiva, decentralizzata e incredibilmente efficace.

Replicare questa eleganza con i nostri robot è stata, finora, una delle sfide più frustranti per l’intelligenza artificiale. Come ha ammesso Matan Yah Ben Zion, professore alla Radboud University e autore di un recente studio pubblicato dalla NYU, “Pesci, api e uccelli lo fanno magnificamente… Al contrario, gli sciami sintetici non sono neanche lontanamente così agili“. Un modo gentile per dire che i nostri tentativi sembrano goffi al confronto.

Il problema principale? Trovare un meccanismo di controllo decentralizzato. Finora, o si dipendeva da un’unità centrale che dirige tutti (e se salta quella, salta tutto), oppure si faticava a creare regole semplici che producessero comportamenti di gruppo complessi e utili. Almeno fino ad oggi.

Una regola semplice per un comportamento complesso: la “Curvità”

Un gruppo di ricercatori, in uno studio pubblicato su PNAS, sembra aver trovato una soluzione tanto semplice quanto geniale, prendendo spunto, ancora una volta, dalla fisica fondamentale. Hanno ideato un nuovo quadro di regole basato su un concetto inedito: la “curvità” (curvity).

Immaginiamola come una sorta di carica intrinseca, simile alla carica positiva o negativa di protoni ed elettroni. Ecco come funziona:

• Ad ogni robot dello sciame viene assegnato un valore di “curvità”, positivo o negativo.
• Questa “carica” determina come il robot reagisce e interagisce con i suoi vicini, curvando la sua traiettoria in risposta alle forze esterne generate dagli altri.
• Una curvità positiva potrebbe portare a un tipo di interazione (es. aggregazione), mentre una negativa a un altro (es. movimento fluido e parallelo).

Come spiega Stefano Martiniani, professore alla New York University, “questa curvatura guida il comportamento collettivo dello sciame”. In pratica, invece di programmare complesse istruzioni su come “stare in gruppo”, si progetta il robot con una proprietà fisica intrinseca che naturalmente lo porta a comportarsi in modo coordinato. Si passa da un problema di software a uno di scienza dei materiali e design meccanico.

Dalla medicina alla fabbrica: le applicazioni pratiche

Il bello di questa regola geometrica è che è incredibilmente scalabile e versatile. Durante gli esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che il principio funziona non solo con due robot, ma si estende in modo naturale a sciami di migliaia di unità.

Le implicazioni sono enormi. Si potrebbe applicare a:

• Micro-robot per la medicina: sciami di robot microscopici potrebbero essere “programmati” tramite la loro curvità per navigare nel flusso sanguigno e rilasciare farmaci solo su un bersaglio specifico.
• Operazioni di ricerca e soccorso: sciami di droni potrebbero perlustrare vaste aree colpite da disastri naturali in modo coordinato, senza bisogno di un controllo umano costante per ogni singolo drone.
• Logistica e industria: si pensi alla manifattura aerospaziale su larga scala, dove la società H2 Clipper ha già brevettato l’uso di sciami robotici, o alla gestione di magazzini automatizzati.

La sfida del controllo degli sciami si sta trasformando. Non più solo un rompicapo per informatici, ma un’opportunità per ingegneri meccanici e fisici. La natura, ancora una volta, ci ha mostrato la via: le regole più semplici, a volte, generano le complessità più affascinanti. Non bisogna forzare, bisogna dare regole semplici e lasciare che queste lavorino.

Potremo far muovere i robot come se fossero dei branchi ordinati? (immagine d Unsplash)

Domande e Risposte di Approfondimento

1) Qual è l’innovazione fondamentale presentata nello studio sull’intelligenza di sciame?

L’innovazione chiave è l’introduzione di una nuova grandezza fisica chiamata “curvità” (curvity). Invece di basarsi su complessi algoritmi di programmazione, questo approccio assegna a ogni robot una proprietà intrinseca, simile a una carica elettrica positiva o negativa. Questa “carica” determina come un robot curva il suo percorso in risposta ai suoi vicini. Questo trasforma il problema del controllo di uno sciame da una sfida puramente software a una di design meccanico e scienza dei materiali, rendendo il comportamento collettivo un risultato emergente di semplici regole fisiche.

2) Perché è così importante superare la sfida del controllo decentralizzato negli sciami robotici?

Il controllo decentralizzato è cruciale perché rende gli sciami robotici robusti, scalabili e adattabili, proprio come i loro corrispettivi in natura. Un sistema centralizzato ha un singolo punto di debolezza: se il “cervello” centrale si guasta o perde la comunicazione, l’intero sciame si ferma. Un sistema decentralizzato, invece, non ha un leader. Ogni unità agisce in base ai suoi vicini, rendendo lo sciame capace di operare anche se alcuni robot vengono persi. Questo è fondamentale per applicazioni in ambienti imprevedibili come operazioni di soccorso, esplorazione o applicazioni mediche interne al corpo umano.

3) Quali sono le possibili ricadute pratiche e industriali di questa nuova tecnologia?

Le ricadute sono vaste e trasversali. In campo medico, micro-robot potrebbero formare sciami per la somministrazione mirata di farmaci contro i tumori. Nella sicurezza e protezione civile, sciami di droni potrebbero monitorare incendi boschivi o cercare dispersi su aree molto ampie. Nell’industria, potrebbero rivoluzionare la manifattura (come nell’assemblaggio di grandi strutture aerospaziali) e la logistica, ottimizzando il movimento delle merci nei magazzini. In sostanza, qualsiasi compito complesso che richiede coordinazione distribuita su larga scala potrebbe beneficiare di questa tecnologia.