I fisici dell'Università del Lussemburgo hanno recentemente presentato un nuovo materiale che può diventare un componente chiave di una nuova infrastruttura progettata per aiutare i robot a comprendere l'ambiente circostante. Il team mostra che il materiale può essere utilizzato per introdurre informazioni grafiche su misura nell'ambiente, invisibile agli umani ma facilmente leggibile dai robot. Il nuovo materiale e la procedura innovativa con cui è reso possibile sono stati recentemente pubblicati in Materiali funzionali avanzati , una delle riviste più importanti al mondo nel campo della scienza dei materiali.

Regno dell'automazione

L'automazione diffusa è una componente chiave della quarta rivoluzione industriale in corso. L'attuale interesse per l'automazione prevede un'enorme espansione del concetto, spesso coinvolgendo macchine non solo automatiche ma anche autonome e mobili, come auto a guida autonoma o droni. Contrariamente a quanto potrebbe suggerire il termine "Industria 4.0", queste macchine possono anche impegnarsi in un'interazione diretta con gli esseri umani, anche in luoghi al di fuori della produzione industriale, come le nostre case o i luoghi di lavoro non industriali.

"Per quanto vantaggiosa possa essere questa transizione verso l'automazione onnipresente, presenta anche sfide significative di molti tipi. Una delle soglie più importanti è causata dai problemi di sicurezza:come dimostrato dai ricorrenti tragici decessi che coinvolgono veicoli autonomi, attualmente hanno una comprensione insufficiente del loro ambiente nonostante i sensori di bordo e la tecnologia di calcolo all'avanguardia. Semplicemente non è facile dare un senso all'indaffarato, mondo complesso e disordinato che noi umani creiamo e in cui viviamo, pieno di segnali, alcuni importanti, alcuni solo distraenti, e altri pur essendo puro rumore, " spiega Jan Lagerwall, Professore presso il Dipartimento di Fisica e Scienza dei Materiali (DPhyMS) dell'Università del Lussemburgo e principale investigatore dello studio.

Nuovo approccio con i cristalli liquidi

Sebbene la maggior parte dei tentativi di consentire ai robot di accedere ad ambienti popolati dall'uomo si concentrano sul fornire ai robot una combinazione di molteplici input sensoriali e un'enorme potenza di calcolo, un approccio diverso è ora proposto dal Prof. Jan Lagerwall e dai suoi due membri del team Yong Geng e Rijeesh Kizhakidathazhath dell'Università del Lussemburgo, in collaborazione con il Prof. Mathew Schwartz, che è un esperto in automazione e progettazione dell'ambiente costruito presso il New Jersey Institute of Technology.

La svolta chiave presentata nell'articolo è la realizzazione di sfere retroriflettenti realizzate con cristalli liquidi colesterici, che vengono trasformati allo stato solido mediante un processo chiamato polimerizzazione. In un modo, queste sfere sono simili ai catadiottri che abbiamo nei giubbotti di sicurezza delle nostre auto, nei segnali stradali e in certi indumenti, perché rimandano la luce alla sorgente indipendentemente dalla direzione lungo la quale sono illuminati. Ma ci sono due differenze molto importanti che rendono questi riflettori sferici colesterici (CSR) così utili. Primo, la riflessione è limitata a un intervallo di lunghezze d'onda ristretto, spiegando perché l'occhio umano non li vede. Secondo, la riflessione è polarizzata circolarmente, allo stesso modo in cui ciascuno dei due film proiettati contemporaneamente in un cinema 3D sono polarizzati circolarmente, in modi opposti.

"Se ti sei mai tolto gli occhiali mentre sei al cinema 3D avrai notato che l'occhio umano non riesce a distinguere le diverse polarizzazioni, come entrambi i nostri occhi poi vedono entrambi i film, e sperimentiamo semplicemente uno strano effetto "ombra". Gli occhiali contengono polarizzatori circolari, uno destro e l'altro mancino, assicurando che il nostro occhio destro veda solo il film per l'occhio destro, a sinistra solo il filmato per l'occhio sinistro. Fuori da un cinema, il mondo è molto raramente polarizzato circolarmente e questo significa che la polarizzazione circolare dei CSR è piuttosto unica. Un robot progettato per leggere le informazioni codificate dalla CSR avrà due telecamere, entrambi operanti nelle regioni dell'ultravioletto e/o dell'infrarosso in cui riflettono i CSR, e ciascuno avrà un polarizzatore circolare di tipo diverso, proprio come gli occhiali da cinema 3D. Il robot sottrae un'immagine dall'altra, il che significa che tutte le informazioni visive che non sono polarizzate circolarmente, che è tutto contenuto tranne le CSR, è cancellato, perché questa informazione appare identica alle due fotocamere. Ma i CSR rimangono, in quanto sono visibili solo da una telecamera ma non dall'altra. Ciò consente al robot di identificare le informazioni codificate CSR in modo estremamente rapido, con potenza di calcolo minima, e senza rischio di falsi positivi, " spiegano gli scienziati.