Una mano robotica cammina sulle dita grazie a Raspberry Pi e intelligenza artificiale

Nel laboratorio di robotica morbida del Politecnico di Zurigo, una mano robotica commerciale ha imparato a camminare. Non su un braccio, non su ruote, ma sulle proprie dita — sollevandosi, bilanciandosi, muovendosi nello spazio come un organismo autonomo. Il progetto si chiama WUJI, e pesa 818 grammi. È il tipo di cosa che evoca subito l'immagine della Mano di Mercoledì Addams, quella che scappa dal polso e si muove per conto suo. Ma sotto l'apparenza strana c'è un problema di ingegneria pura: come insegnare a cinque dita di lunghezze diverse, con un pollice opponibile e un palmo che tende a inclinarsi, a coordinarsi abbastanza bene da non cadere.

Ogni dito deve fare due cose contemporaneamente. Mentre uno si solleva per avanzare o raggiungere un tasto, gli altri quattro devono impedire al palmo di crollare a terra. Il pollice non è come le altre dita — raggiunge il suolo in modo diverso, con una capacità di appoggio diversa. Ogni punto di contatto è una variabile. I ricercatori Amirhossein Kazemipour, Hehui Zheng e Robert Katzschmann hanno mantenuto la meccanica originale della mano commerciale e il suo sistema di controllo della posizione, ma hanno aggiunto qualcosa di nuovo: venti articolazioni motorizzate, quattro per dito. Sul dorso della mano, un modulo da 80 grammi contiene un Raspberry Pi Zero 2 W, un sensore inerziale BNO085 e una batteria ai polimeri di litio a quattro celle. Tutto quello che serve per muoversi senza fili.

L'intelligenza che guida questi movimenti è stata insegnata in simulazione, non nel mondo reale. I ricercatori hanno usato l'apprendimento per rinforzo — un sistema in cui il software impara per prove ed errori, premiando le azioni che funzionano e punendo quelle che no. Ma prima di lasciare che la mano imparasse nel vuoto, hanno calibrato il modello di simulazione misurando il comportamento reale dell'hardware. Questo significa che quando WUJI ha iniziato ad apprendere, stava imparando in un mondo che assomigliava molto a quello vero. Una volta che il sistema ha scoperto come distribuire gli appoggi e coordinare i movimenti, quella strategia è stata trasferita direttamente sulla mano fisica. Il Raspberry Pi a bordo esegue il controllo localmente, inviando correzioni agli obiettivi di posizione di ogni articolazione, e il controllore integrato della mano traduce questi comandi in movimento.

I ricercatori hanno testato WUJI su quattordici superfici diverse — parquet, piastrelle, asfalto, erba, ghiaia — per vedere se potesse adattarsi a condizioni reali. Quando la mano cadeva, aveva una strategia per rialzarsi. In venticinque tentativi di caduta, considerando due direzioni diverse, WUJI è riuscita a tornare sulle dita ventuno volte. Questo è l'84 percento. È un numero che va letto insieme al contesto: è il risultato di quelle prove specifiche, in quelle condizioni controllate. Ma il fatto che una mano robotica possa cadere e rialzarsi da sola, senza intervento umano, è comunque notevole.

I ricercatori hanno poi chiesto a WUJI di fare qualcosa di più preciso: premere i tasti di una tastiera. Questo aggiunge un vincolo nuovo. Non basta sollevare un dito — devi sollevarlo abbastanza da colpire il tasto, mentre gli altri quattro dita mantengono il peso e l'equilibrio della mano. Su trentadue comandi, WUJI ne ha eseguiti ventinove correttamente, senza nemmeno guardare la tastiera. La latenza mediana — il tempo tra il comando e la pressione del tasto — è stata di 0,25 secondi. Hanno anche fatto giocare la mano a Sokoban, il puzzle game dove devi spingere blocchi verso una destinazione. L'operatore impartisce le mosse, la mano le esegue. Prima di ogni partita, i ricercatori allineano manualmente WUJI alla tastiera.

Per il compito di spingere un cubo verso un obiettivo, il sistema ha usato una telecamera esterna montata dall'alto. In quindici tentativi, l'errore finale medio — quanto lontano il cubo finiva dalla destinazione — è stato di 17 millimetri. Questo rivela qualcosa di importante: il computer a bordo della mano può gestire il controllo localmente, ma per compiti che richiedono una visione dello spazio più ampia, dipende ancora da informazioni che vengono da fuori. La mano non è completamente autonoma nel senso che potrebbe navigare il mondo senza aiuto. È autonoma nel senso che può muoversi, bilanciare se stessa, e eseguire comandi senza essere collegata a un cavo. I limiti sono precisi e misurabili, e questo è esattamente quello che la ricerca ha mostrato.