ABBONATI

iCub, il robot bambino

Se fa bene qualcosa, sorride. Se non capisce, storce il naso. Se gli viene chiesto di prendere un pupazzo, l'afferra... e, se sbaglia, al tentativo successivo si corregge fin quando ci riesce, perché è progettato per imparare.

iCub è un cucciolo di robot, alto 1,04 metri e con un peso di circa 25 kg, nato una decina di anni fa da un team di ricercatori dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova, con caratteristiche ritenute fino ad allora impensabili per un automa.
È infatti l'umanoide più completo sulla faccia della Terra: ha mani di metallo, muscoli ad azionamento elettrico, due telecamere per occhi, due microfoni per orecchie, uno speaker al posto della bocca, la possibilità di comunicare con le espressioni del volto e perfino una pelle artificiale.
Un progetto avanzato e a lungo termine, con importanti ricadute tecnologiche e, soprattutto, un ambizioso obiettivo scientifico: simulare un bambino di pochi anni di vita per scoprire qualcosa di più su come siamo fatti e su come funziona il nostro cervello.
Sono nato così

Il suo nome, iCub, ha due fonti di ispirazione.
La "i" viene da I, robot ("Io, robot"), la raccolta di racconti di fantascienza scritta da Isaac Asimov ormai più di 50 anni fa; "cub" deriva invece dal cucciolo (mancub) descritto da Rudyard Kipling nel suo Libro della Giungla.

A battezzarlo così è stato Giorgio Metta, l'ingegnere robotico che l'ha ideato insieme al collega Giulio Sandini, un veterano del settore.
Nel 2004, prima ancora che nascesse l'IIT, l'idea è diventata un progetto europeo, che si è poi concretizzata nel corso degli anni.
Giulio Sandini direttore dipartimento robotica IIT
200: sono i ricercatori che partecipano al progetto iCub nel mondo.
I primi prototipi di robot umanoidi erano molto diversi da quello attuale. Avevano soltanto una telecamera fissa, alla quale fu aggiunta la capacità di movimento. Poi sono arrivati i primi esemplari dotati di due occhi e di un braccio meccanico, seguiti da modelli sempre più complessi, fino alla versione attuale di iCub. Un concentrato di tecnologie d'avanguardia che potete esplorare nel multimedia qui sotto.
I segreti di iCub
Cervello
Il cervello è costituito da due parti, una che si trova all'interno, l'altra all'esterno del robot.
All'interno, nella testa, ci sono una ventina di processori che controllano i movimenti di iCub, più una ventina che raccolgono i dati sensoriali che arrivano dalla pelle. La parte esterna è costituita da una trentina di potenti processori, connessi a internet, che elaborano le immagini riprese dalle telecamere, le integrano agli altri dati sensoriali ed elaborano i sistemi di controllo, cioè determinano il "comportamento" che avrà il robot.
Orecchie
Sono costituite da microfoni standard. All'interno c'è anche un sistema di giroscopi che, analogamente all'apparato vestibolare negli esseri umani, garantisce l'equilibrio.
Occhi
Sono costituiti da due telecamere che consentono una visione stereoscopica. Su alcuni modelli si stanno sperimentando telecamere più avanzate di tipo "neuromorfo", che imitano il funzionamento del nervo ottico umano: consentono di vedere le variazioni di luce in modo più accurato e di distinguere meglio gli oggetti in movimento.
Bocca
Il robot può parlare (alcune versioni lo fanno) grazie a un sintetizzatore vocale standard.
Collo
È un organo di raccordo, che ha comunque 3 gradi di libertà, cioè può muoversi (ruotare) in 3 direzioni differenti.
Busto
Il busto non è dotato di organi di particolare importanza: non vi è nulla che corrisponda a cuore, polmoni e stomaco, che invece sono indispensabili per gli esseri umani. Questa parte del corpo è comunque dotata della possibilità di compiere tre movimenti di rotazione indipendenti tra loro (avanti-indietro, rotazione destra-sinistra e torsione destra-sinistra).
Braccia
Ogni braccio ha 7 gradi di libertà, cioè sette tipi di rotazioni azionate da motori elettrici, che consentono di effettuare tutti i movimenti possibili.
Mano
È dotata di 22 snodi, quasi quanto una mano vera. Pollice, indice e medio si possono muovere in modo indipendente, consentendo una presa di precisione, mentre anulare e mignolo si muovono insieme. Un progetto europeo avviato a gennaio ha cominciato a studiare un processo chiamato hand manipulation, che consiste nel cambiare azione con una stessa mano. Per esempio afferrare una penna, aggiustare la presa e cominciare a scrivere: una sequenza di azioni molto difficili da eseguire per un robot.
Dito
Ogni dito è dotato di 3 falangi, anche se solo le prime 3 dita possono muoverle in modo indipendente (in realtà, il pollice ha tre movimenti indipendenti, mentre l'indice e il medio ne hanno due). Ogni movimento è generato da un motore.
Muscoli
Sono costituiti da motori elettrici ad alte prestazioni, compatti ed efficienti, normalmente utilizzati nel settore aerospaziale. Particolarmente avanzati quelli, miniaturizzati, per il controllo delle mani. Grazie alla sua muscolatura, il robot è teoricamente in grado di alzare 5 kg con un solo braccio, anche se non è mai stato messo alla prova su questo aspetto.
Ossa
La struttura portante è in una lega di alluminio detta "ergal". Alcune componenti delle gambe e alcuni giunti della spalla (sottoposti a maggiori sollecitazioni meccaniche) sono realizzate in acciaio.
Pelle
La pelle è il fiore all'occhiello di iCub, uno dei pochi robot al mondo dotato di quest'organo sensoriale. La pelle è costituita da 5 mila sensori di pressione distribuite su tutto il corpo e soprattutto sulle mani. Secondo alcuni esperimenti preliminari, questi sensori consentirebbero al robot anche di percepire in modo indiretto il calore e la struttura delle superfici (lisce, rugose, ecc.) con cui vengono a contatto.
Gambe
Oltre a ossa e muscoli meccanici, le gambe hanno anche alcuni giunti dotati di molle, che funzionano da ammortizzatori e consentono a iCub di attutire gli impatti in caso di brusche interazioni con l'ambiente. Camminare per il robot è una funzione complessa, che i ricercatori hanno cominciato a studiare solo di recente in open source.
Tra tutti i componenti del robot, uno dei più importanti è la mano. Secondo le teorie attuali, infatti, le facoltà cognitive umane più elevate derivano dalla nostra capacità di usare le mani: nel corso dell'evoluzione è stato proprio l'uso della mano a consentire lo sviluppo dell'intelligenza grazie alla possibilità che ci offriva di interagire con l'ambiente afferrando gli oggetti e manipolandoli.

Un'altra eccellenza di iCub è la pelle, che ricopre gli arti e il torso ed è – ad oggi – costituita da 5 mila sensori di tipo capacitivo simili a quelli dei touch screen di smartphone e tablet.
Soprattutto, è la combinazione tra capacità motorie, sensoriali e computazionali che rende questo robot unico, una piattaforma ideale per lo studio dell'intelligenza.
Giulio Sandini direttore dipartimento robotica IIT
Che cosa so fare

Oggi iCub è già in grado di fare molte cose che fa un bambino.

Per esempio, dopo aver "imparato" a gattonare nel 2010, è capace di tenersi in equilibrio (capacità che richiede molta energia anche a un essere umano, perché la posizione eretta è instabile per natura) e anche di camminare, seppur lentamente.
Ci sono altri robot che camminano più velocemente di lui, ma iCub è più completo e può compiere anche altre azioni. Per esempio, è in grado di "capire" semplici comandi vocali ed esprimere emozioni (gioia, disappunto, sorpresa) verso i suoi interlocutori.
Ovviamente non si tratta di vere emozioni, ma di espressioni facciali simulate per mezzo di luci, che però aiutano a migliorare l'interazione tra umani e robot, a farci sentire più a nostro agio con lui.

iCub sa inoltre parlare, vedere, riconoscere e afferrare gli oggetti. E, soprattutto, imparare dagli errori. La prima volta che prova ad afferrare qualcosa, infatti, può sbagliare; ma poi si corregge e impara anche a dosare la forza in modo opportuno.
Giorgio Metta direttore iCub facility IIT
Un'ulteriore capacità del robot – resa possibile dall'uso combinato dei dati sensoriali forniti dalle telecamere e dalla pelle artificiale – è quella di cercare di evitare il contatto con gli esseri umani.

Questo per evitare che, anche accidentalmente, possa fare male all'uomo: iCub, in altre parole, è costruito per rispettare, almeno in parte, la prima legge della robotica di Asimov.
Intelligente? Diciamo che imparo

Capacità sensoriali, capacità motorie, un'elevata potenza di calcolo...

iCub ha dunque tutti gli ingredienti essenziali che – in base alle scoperte delle neuroscienze negli ultimi decenni – sono a fondamento dell'intelligenza umana.

Luciano Fadiga neuroscienziato
Una delle scoperte che ha rivoluzionato le neuroscienze negli ultimi anni – e che ha visto Luciano Fadiga protagonista, in un gruppo dell'Università di Parma coordinato da Giacomo Rizzolatti – è quella dei neuroni-specchio, cellule nervose che si attivano sia quando eseguiamo un movimento, sia quando lo vediamo compiere da altri.
Sono le cellule, insomma, alla base dell'apprendimento e dell'empatia, cioè della nostra capacità di "metterci nei panni" degli altri e di comprenderne gli stati d'animo.
250.000 euro, il costo necessario per costruire un iCub
iCub ha però un cervello in silicio, che per funzionare non può contare su neuroni come i nostri.
La sua "mente", dunque, deve essere costruita in maniera diversa.
Innanzitutto è suddivisa in moduli, che si occupano di compiti specifici: c'è un modulo per riconoscere gli oggetti, uno per estrarre l'informazione tattile e così via.
Le varie componenti sensoriali sono poi integrate tra loro, in modo da ricostruire un'esperienza e archiviarla in memoria per riutilizzarla in futuro.
Lorenzo Natale ingegnere elettronico
In altre parole, perché iCub "capisca" che cos'è un oggetto che ha di fronte – se una palla o un pupazzo – non basta che ne faccia una scansione visiva, ma bisogna che lo tocchi, che qualcuno gli mostri come si afferra e come si usa.
Nella testa di iCub
Il cervello di iCub è costituito da 6 potenti computer a 4 e a 8 processori che, con un cavo, sono collegati alla testa del robot (all'interno della quale si trovano solo i chip necessari al controllo della macchina).
Il cavo di collegamento fornisce anche l'alimentazione, ma limita le prestazioni del robot-bambino, perché per esempio gli impedisce di correre – un compito, tra l'altro, al momento al di sopra delle sue possibilità. Gli ingegneri stanno già considerando la possibilità di un sistema di alimentazione a batterie e un collegamento Wi-Fi per lo scambio di dati con l'esterno.
Perché sono unico

Nel mondo esistono robot più performanti di iCub su compiti specifici. Alcuni, per esempio, sanno correre o superare ostacoli impegnativi, altri possono afferrare gli oggetti con maggior precisione.

iCub, però, come abbiamo detto, è il più completo di tutti e il più adatto a diventare un modello per lo studio della mente umana.

Giulio Sandini direttore dipartimento robotica IIT
Anno dopo anno, i ricercatori migliorano le prestazioni dei sensori e dei circuiti di iCub, per renderlo sempre più simile a noi.
Fino a poco tempo fa, gli occhi del robot erano costituiti da "semplici" telecamere.
Oggi, invece, sono allo studio sensori ottici più avanzati, detti "neuromorfi" perché ispirati all'occhio umano.
Chiara Bartolozzi neuroinformatica
Un'altra particolarità di iCub è il fatto di essere un progetto open source, come il sistema operativo Linux.
Ogni gruppo di ricerca che partecipa all'iniziativa può modificare iCub secondo le proprie esigenze, purché ne condivida i risultati con gli altri.

Il piccolo androide, di cui a Genova esistono 3 esemplari, infatti, ha 25 di fratellini sparsi nel mondo.

E il vantaggio, per i gruppi di ricerca che li usano, è evidente: il fatto di basare i differenti studi sullo stesso corpo meccanico permette di condividere più facilmente i risultati e quindi di progredire più velocemente nella ricerca.
Dove sono gli esemplari di iCub (e che cosa fanno)
USA
Una copia di iCub si trova all'Università dell'Illinois (Usa): qui si studiano il controllo dei movimenti a partire dai dati sensoriali e l'apprendimento del linguaggio a partire dalla grammatica.
Regno Unito
L'apprendimento è oggetto dello studio all'Imperial College di Londra. A Plymouth invece si occupano di linguaggio.
iCub si trova anche alla University of Hertfordshire, alla University of Aberystwyth e alla University of Sheffield.
Portogallo
L'Istituto Superior Tecnico di Lisbona ha contribuito a progettare la prima testa di iCub. Ora i ricercatori lavorano per migliorare gli algoritmi alla base della visione artificiale.
Spagna
I ricercatori dell'Istituto Pompeu Fabra di Barcellona (Spagna) si occupano di interazione con l’uomo e di modelli biologici della cognizione.
Francia
All'Università Curie di Parigi studiano come migliorare il controllo dei motori e dell'equiibrio.
A Lione invece studiano alcuni aspetti dell'interazione con l'uomo.
iCub è anche al Gipsia Lab di Grenoble.
Olanda
Un iCub è all'Università di Twente (Olanda) dove si dedicano alla gestione dei motori e agli aspetti cognitivi.
Svizzera
Al Politecnico di Losanna (Svizzera) la ricerca si concentra sul senso del tatto di iCub. A Lugano, sull'apprendimento.
Italia
Oltre che all'IIT di Genova, in Italia iCub è a Roma, al CNR, dove si sviluppa (tra l'altro) l'apprendimento "per rinforzo": quando il robot esegue bene un compito viene premiato.
Germania
In Germania iCub è molto popolare: diverse università lo impiegano. Compresa quella di Monaco, dove stanno migliorando la sua capacità di afferrare oggetti. iCub è usato anche al FIAS di Francoforte, all'Università di Chemnitz, all'Università di Bielefeld, all'Università di Darmstadt, all'Università di Amburgo e all'università di Heidelberg e al centro ricerche Honda di Hoffenbach.
Turchia
Alla Middle East Technical University di Ankara (Turchia) la parola d'ordine è "affordance", la capacità di capire la funzione di un oggetto semplicemente osservandolo.
Corea del Sud
Un esemplare di iCub si trova in Corea del Sud (all'istituto Kaist): qui si studiano gli aspetti cognitivi e si sviluppano modelli basati sulle reti neurali.
Giappone
All'Università di Osaka (Giappone) si sviluppano algoritmi (e componenti) per consentire al robot di interagire con l'uomo in modo naturale sfruttando il suo senso del tatto.
USA
Una copia di iCub si trova all'Università dell'Illinois (Usa): qui si studiano il controllo dei movimenti a partire dai dati sensoriali e l'apprendimento del linguaggio a partire dalla grammatica.
Regno Unito
L'apprendimento è oggetto dello studio all'Imperial College di Londra. A Plymouth invece si occupano di linguaggio.
iCub si trova anche alla University of Hertfordshire, alla University of Aberystwyth e alla University of Sheffield.
Portogallo
L'Istituto Superior Tecnico di Lisbona ha contribuito a progettare la prima testa di iCub. Ora i ricercatori lavorano per migliorare gli algoritmi alla base della visione artificiale.
Spagna
I ricercatori dell'Istituto Pompeu Fabra di Barcellona (Spagna) si occupano di interazione con l’uomo e di modelli biologici della cognizione.
Francia
All'Università Curie di Parigi studiano come migliorare il controllo dei motori e dell'equiibrio.
A Lione invece studiano alcuni aspetti dell'interazione con l'uomo.
iCub è anche al Gipsia Lab di Grenoble.
Olanda
Un iCub è all'Università di Twente (Olanda) dove si dedicano alla gestione dei motori e agli aspetti cognitivi.
Svizzera
Al Politecnico di Losanna (Svizzera) la ricerca si concentra sul senso del tatto di iCub. A Lugano, sull'apprendimento.
Italia
Oltre che all'IIT di Genova, in Italia iCub è a Roma, al CNR, dove si sviluppa (tra l'altro) l'apprendimento "per rinforzo": quando il robot esegue bene un compito viene premiato.
Germania
In Germania iCub è molto popolare: diverse università lo impiegano. Compresa quella di Monaco, dove stanno migliorando la sua capacità di afferrare oggetti. iCub è usato anche al FIAS di Francoforte, all'Università di Chemnitz, all'Università di Bielefeld, all'Università di Darmstadt, all'Università di Amburgo e all'università di Heidelberg e al centro ricerche Honda di Hoffenbach.
Turchia
Alla Middle East Technical University di Ankara (Turchia) la parola d'ordine è "affordance", la capacità di capire la funzione di un oggetto semplicemente osservandolo.
Corea del Sud
Un esemplare di iCub si trova in Corea del Sud (all'istituto Kaist): qui si studiano gli aspetti cognitivi e si sviluppano modelli basati sulle reti neurali.
Giappone
All'Università di Osaka (Giappone) si sviluppano algoritmi (e componenti) per consentire al robot di interagire con l'uomo in modo naturale sfruttando il suo senso del tatto.
Tutti i robot sono prodotti all'Istituto Italiano di Tecnologia, un centro di ricerca i cui laboratori sono nati nel 2006 a Genova, dove attualmente lavorano 800 persone (più altre 400 dislocate in altre 10 sedi sul territorio nazionale), in gran parte ricercatori.
Ali Paikan ingegnere
Ilaria Gori ingegnere
Non tutti gli scienziati e gli ingegneri dell'IIT lavorano su iCub.
L'iCub facility dedicata interamente allo sviluppo del robot impiega una cinquantina di persone. Ma, se si considerano tutte le ricerche correlate, prodotte anche da altri laboratori, si arriva a 500 persone.
Roberto Cingolani direttore scientifico IIT
Una delle parole d'ordine di questo progetto è interdisciplinarità: per affrontare un argomento complesso come l'intelligenza, è necessario che lavorino gomito a gomito ingegneri, informatici, psicologi e neuroscienziati.
Spero anche di essere utile

iCub è nato come progetto a lungo termine di interesse puramente scientifico.
Non mancano, però, le applicazioni.

In campo medico gli studi sul movimento degli arti del robot si possono applicare alla riabilitazione di persone che, per esempio a causa di un ictus, sono rimaste paralizzate: in un certo senso, si può dire che il robot impara i movimenti dall'uomo, per tornare a insegnarli all'uomo. Sono attive in tal senso alcune collaborazioni tra l'IIT e alcune strutture ospedaliere.
Roberto Cingolani direttore scientifico IIT
Le ricadute tecnologiche della ricerca su iCub possono essere molte.
Una delle finalità principali dell'IIT, infatti, è – attraverso l'innovazione tecnologica – stimolare lo sviluppo del territorio (al momento l'Istituto può vantare oltre un centinaio di progetti d'innovazione con le imprese, più di 270 domande di brevetto depositate e una decina di start-up).
Gli scienziati di Genova sono convinti che un giorno i loro umanoidi potranno entrare nelle case delle persone, contando anche sul fatto che il prezzo di produzione può diminuire sensibilmente grazie alla produzione di massa. Si sta studiando la possibilità, per esempio, che i robot siano utilizzati per l'assistenza agli anziani: potrebbero controllare lo stato di salute, l'assunzione di medicine e fornire assistenza.

Non bisogna infine dimenticare il progetto originale, cioè il fatto che iCub sia usato come modello per le neuroscienze.
Luciano Fadiga neuroscienziato
Ci vediamo tra 10 anni

In questi primi 10 anni iCub ha percorso molta strada.
Eppure, da un certo punto di vista, è appena arrivato al punto di partenza: servire da modello per gli studi sull'intelligenza.

Nei prossimi 10 anni il cucciolo potrà finalmente crescere, soprattutto da questo punto di vista.

Luciano Fadiga neuroscienziato
La domanda che è naturale porsi, a questo punto, è la seguente: riuscirà mai il robot bambino a diventare intelligente come noi?
E, in tal caso, non potrebbe addirittura surclassarci? Che cosa succederà allora?
Roberto Cingolani direttore scientifico IIT
In realtà questo non potrà mai avvenire, per lo meno nell'ambito delle nostre possibilità attuali di previsione, perché un robot – come spiega Roberto Cingolani – ha ancora molto da imparare dall'uomo.
La storia di iCub in 16 immagini
< 1/16 > 2004: una delle prima versioni del progetto del robot, non una semplice “ricostruzione” 3D. Il viso è rimasto abbastanza simile, mentre il bacino qui appare più grande (i motori previsti inizialmente erano più voluminosi). | ISTITUTO ITALIANO DI TECNOLOGIA