I ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati da Marco Hutter hanno sviluppato un nuovo approccio di controllo che consente a un robot con le gambe, chiamato ANYmal, di muoversi in modo rapido e robusto su terreni difficili. Grazie all'apprendimento automatico, il robot può combinare per la prima volta la percezione visiva dell'ambiente con il senso del tatto.

Tratti ripidi su fondo scivoloso, scalini alti, ghiaioni e sentieri forestali ricchi di radici:il sentiero sul monte Etzel, alto 1.098 metri, all'estremità meridionale del Lago di Zurigo, è costellato di numerosi ostacoli. Ma ANYmal, il robot quadrupede del Robotic Systems Lab dell'ETH di Zurigo, supera senza sforzo i 120 metri di dislivello in un'escursione di 31 minuti. È 4 minuti più veloce della durata stimata per gli escursionisti umani e senza cadute o passi falsi.

Ciò è reso possibile da una nuova tecnologia di controllo, che i ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati dal professore di robotica Marco Hutter hanno recentemente presentato sulla rivista Science Robotics . "Il robot ha imparato a combinare la percezione visiva dell'ambiente con la propriocezione, il senso del tatto, basato sul contatto diretto delle gambe. Ciò gli consente di affrontare terreni accidentati più velocemente, in modo più efficiente e, soprattutto, più robusto", afferma Hutter. In futuro, ANYmal potrà essere utilizzato ovunque sia troppo pericoloso per l'uomo o troppo impraticabile per altri robot.

Percepire accuratamente l'ambiente

Per navigare su terreni difficili, esseri umani e animali combinano in modo abbastanza automatico la percezione visiva del loro ambiente con la propriocezione delle gambe e delle mani. Ciò consente loro di gestire facilmente terreni scivolosi o morbidi e di muoversi con sicurezza, anche quando la visibilità è scarsa. Finora, i robot con le gambe sono stati in grado di farlo solo in misura limitata.

"Il motivo è che le informazioni sull'ambiente circostante registrate dai sensori laser e dalle telecamere sono spesso incomplete e ambigue", spiega Takahiro Miki, uno studente di dottorato nel gruppo di Hutter e autore principale dello studio. Ad esempio, erba alta, pozzanghere poco profonde o neve appaiono come ostacoli insormontabili o sono parzialmente invisibili, anche se il robot potrebbe effettivamente attraversarli. Inoltre, la visuale del robot può essere oscurata sul campo da condizioni di illuminazione difficili, polvere o nebbia.

"Ecco perché i robot come ANYmal devono essere in grado di decidere da soli quando fidarsi della percezione visiva del loro ambiente e andare avanti rapidamente, e quando è meglio procedere con cautela e a piccoli passi", afferma Miki. "E questa è la grande sfida."

Un campo di addestramento virtuale

Grazie a un nuovo controller basato su una rete neurale, il robot con gambe ANYmal, sviluppato dai ricercatori dell'ETH di Zurigo e commercializzato dallo spin-off dell'ETH ANYbotics, è ora in grado di combinare per la prima volta la percezione esterna e quella propriocettiva. Prima che il robot potesse mettere alla prova le sue capacità nel mondo reale, gli scienziati hanno esposto il sistema a numerosi ostacoli e fonti di errore in un campo di addestramento virtuale. Ciò ha consentito alla rete di apprendere il modo ideale in cui il robot può superare gli ostacoli, nonché quando può fare affidamento sui dati ambientali e quando farebbe meglio a ignorarli.

"Con questa formazione, il robot è in grado di dominare il terreno naturale più difficile senza averlo mai visto prima", afferma il professor Hutter dell'ETH di Zurigo. Funziona anche se i dati del sensore nell'ambiente circostante sono ambigui o vaghi. ANYmal quindi gioca sul sicuro e fa affidamento sulla sua propriocezione. Secondo Hutter, ciò consente al robot di combinare il meglio di entrambi i mondi:la velocità e l'efficienza del rilevamento esterno e la sicurezza del rilevamento propriocettivo.

Utilizzare in condizioni estreme

Che si tratti di un terremoto, di un disastro nucleare o di un incendio boschivo, i robot come ANYmal possono essere utilizzati principalmente ovunque sia troppo pericoloso per l'uomo e dove altri robot non siano in grado di affrontare il terreno difficile.

Nel settembre dello scorso anno, ANYmal è stata in grado di dimostrare quanto bene funzioni la nuova tecnologia di controllo alla DARPA Subterranean Challenge, la competizione di robotica più famosa al mondo. Il robot ETH Zurich ha superato automaticamente e rapidamente numerosi ostacoli e terreni difficili esplorando autonomamente un sistema sotterraneo di tunnel stretti, grotte e infrastrutture urbane. Questo è stato uno dei motivi principali per cui i ricercatori dell'ETH di Zurigo, come parte del team CERBERUS, si sono classificati al primo posto con un premio di 2 milioni di dollari.