la corsa da miliardi di dollari per risolvere il più grande problema irrisolto della robotica

Il componente più costoso: perché il leader di mercato preferisce vendere i suoi robot senza mani

Intelligenti, resistenti o economici? Il dilemma irrisolvibile dell’industria degli umanoidi

I robot umanoidi sono considerati la prossima grande rivoluzione tecnologica, eppure il loro successo dipende in gran parte da una parte del corpo che diamo per scontata nella vita di tutti i giorni: la mano. Mentre le gambe nell’industria sono state da tempo sostituite da un’invenzione secolare come la ruota, replicare la capacità di afferrare di un essere umano rimane una sfida monumentale. La mano robotica non è solo di gran lunga il componente più complesso e costoso delle macchine, ma anche quello a maggior rischio di guasto. La mancanza di dati di addestramento, l’usura estremamente elevata dei materiali e i costi di sviluppo esorbitanti continuano a costringere i progettisti a compromessi dolorosi. Il problema è così grave che persino i leader di mercato a volte preferiscono consegnare i loro robot senza mani funzionanti, mentre altre impressionanti capacità sono in realtà controllate a distanza da esseri umani che indossano guanti con sensori. Il seguente articolo esplora perché afferrare un semplice bicchiere d’acqua mette a dura prova un intero settore multimiliardario, come i giganti tedeschi come Bosch e Schunk intendono risolvere il problema e perché la mano rimane il vero tallone d’Achille dell’industria dei robot umanoidi.

Tesla, Bosch e compagnia: la corsa multimiliardaria per risolvere il più grande problema irrisolto della robotica

Un bicchiere d’acqua come problema di ingegneria

Chiunque si sia mai trovato davanti a un bicchiere d’acqua con una mano ingessata conosce la sensazione di inaspettata impotenza. Afferrare la bottiglia, percepire la resistenza, regolare con delicatezza la forza man mano che il peso si sposta a ogni inclinazione: una mano sana fa tutto questo senza sforzo, ogni secondo, senza rendersene conto. Con una mano ingessata, questa stessa presa diventa improvvisamente un problema tecnico da risolvere. Ed è proprio su questo problema che un intero settore industriale sta lavorando, cercando di replicare la capacità di presa umana nelle macchine.

La mano umana è composta da 27 ossa, più di 30 muscoli, oltre 20 gradi di libertà e raggiunge una forza di presa superiore a 400 Newton pur pesando solo dai 400 ai 500 grammi. Il vero segreto non risiede nella mano in sé. I muscoli più forti si trovano nell’avambraccio e sono collegati da tendini, il che rende la mano leggera e agile. Inoltre, circa 17.000 fibre tattili nel palmo forniscono costantemente informazioni su eventuali scivolamenti, cedimenti o rotture di oggetti. Questa struttura biologica si è ottimizzata nel corso di milioni di anni, ed è proprio per questo che è così difficile replicarla tecnicamente.

Perché le gambe sono sostituibili, ma le mani no

L’argomentazione principale dei produttori, secondo cui i robot umanoidi necessitano di una forma simile a quella umana, è che l’ambiente costruito è progettato per il corpo umano. Questo è indubbiamente vero per quanto riguarda la portata, l’altezza di presa e la presenza di due braccia che possono contemporaneamente afferrare e connettersi. Tuttavia, per le gambe, esiste già un’alternativa industriale collaudata con una storia secolare: la ruota. Per la mano, non esiste un’alternativa paragonabile. Quindi, se il design delle gambe è una scommessa aperta al dibattito, la mano è la scommessa che deve assolutamente dare i suoi frutti. E ironicamente, la mano è la parte meno definita dell’intero sistema.

Da decenni, pinze parallele e ventose automatizzano compiti strutturati con oggetti rigidi, e lo fanno in modo eccezionale. Tuttavia, falliscono proprio dove il lavoro umano eccelle: con oggetti deformabili, frequenti cambi di utensili e in tutte quelle situazioni in cui il feedback tattile è fondamentale. Collegare un cavo, chiudere una cerniera, rompere un uovo: questi sono esempi tipici in cui le pinze rigide si rivelano spesso inadeguate. Chiunque aspiri a costruire un robot universale non può prescindere dalla necessità di una mano universale.

La mancanza di dati sta rallentando l’intero settore

La ragione per cui questo compito è così difficile può essere riassunta in una frase coniata dalla stessa industria robotica: la robotica non ha internet. Nel corso dei decenni sono stati creati enormi set di dati per voce e immagini. Ma per ciò che accade effettivamente durante un processo di presa, non esiste nulla di paragonabile. Forza, cedimento, slittamento: nulla di tutto ciò è catturato in alcun set di dati perché nessuno lo ha mai registrato sistematicamente. E chiunque tenti di trasferire i movimenti umani a una semplice pinza a due dita perde la maggior parte di queste informazioni perché una pinza afferra in modo fondamentalmente diverso da una mano.

La gravità di questo problema relativo ai dati è evidente in un sotto-mercato a parte. Intorno ad aziende come MANUS è sorto un intero settore di fornitori, specializzato nella produzione di guanti in grado di catturare i movimenti reali delle mani umane. Il tracciamento basato su telecamere fallisce proprio nei momenti più critici: quando le dita si sovrappongono o la presa ne oscura la punta. Pertanto, questi guanti misurano direttamente sul corpo anziché esternamente, e vengono utilizzati per controllare a distanza mani robotiche, generando dati di addestramento. Gran parte di ciò che appare autonomo nei video dimostrativi è, in realtà, proprio questo: una persona con i guanti che detta il movimento.

L’entità di questo impegno è dimostrata da una spin-off dell’ETH di Zurigo. A metà luglio, Mimic Robotics ha presentato un secondo dispositivo, oltre alla sua mano robotica: un esoscheletro composto da arti rigidi anziché da un guanto. Consente alla mano di chi lo indossa di eseguire solo i movimenti che la mano robotica è in grado di compiere, grazie anche a sensori tattili, encoder articolari e una telecamera sul polso, tutti calibrati con precisione per la macchina.

La seconda risposta allo stesso divario di dati è la simulazione. Invece di raccogliere meticolosamente i dati, questi vengono generati artificialmente. In ambienti come Isaac Sim di NVIDIA, migliaia di robot virtuali si esercitano simultaneamente, producendo in una sola notte più prove di quante una macchina reale potrebbe farne in anni. Questo approccio funziona sorprendentemente bene per la deambulazione. Il problema, tuttavia, ha un nome specifico: il divario tra simulazione e realtà. Ogni simulazione è in definitiva un’ipotesi sul comportamento di un materiale e, più ci si avvicina al contatto reale, più incerta diventa questa ipotesi. Quanto scivola una vite nella punta di un dito, come si deforma una guarnizione, come si piega un cavo: queste sono tra le variabili più difficili da prevedere. Durante la deambulazione, un controller può ancora compensare tali errori; il robot si riprende da solo. Quando si afferra un oggetto, invece, non c’è modo di correggere: l’oggetto viene afferrato o cade a terra.

Entrambi i metodi, la registrazione e la simulazione, conducono in definitiva allo stesso punto. Un movimento può essere filmato e può essere calcolato. Tuttavia, ciò che accade esattamente tra la punta del dito e il pezzo in lavorazione rimane in gran parte un mistero per entrambi i metodi, ancora oggi.

Il triangolo irrisolvibile di abilità, durata e prezzo

Una mano robotica ideale dovrebbe essere abile, avere una presa affidabile ed essere economica, ma la ricerca ha dimostrato per anni che ogni progetto esistente sacrifica almeno uno di questi tre aspetti. Chi privilegia la precisione integra i motori direttamente nelle articolazioni, rendendo la mano grande e costosa, mentre i riduttori si surriscaldano sotto carico continuo. Al contrario, chi vuole costruire robot compatti di dimensioni umane si affida a sistemi di azionamento a tendini, che però si allungano, si sfilacciano e alla fine si rompono. Il design che garantisce la destrezza è anche quello che si usura più rapidamente. Chi vuole ridurre i costi riduce i gradi di libertà e la risoluzione tattile. La classica pinza industriale si è liberata da questo dilemma decenni fa rinunciando alla destrezza. Due dita sono sufficienti, ma offre cinque milioni di cicli, una garanzia di 24 mesi e un prezzo contenuto.

Per confrontare la struttura dei costi di un tipico robot umanoide, vale la pena dare un’occhiata alla ben nota analisi di Morgan Stanley sul modello Tesla Optimus Gen 2, che mostra un costo totale dei materiali di circa 55.000 dollari statunitensi.

Secondo le stime del settore, le mani rappresentano tra il 15 e il 25 percento del totale dei componenti di un robot umanoide, a seconda delle sue caratteristiche; per i modelli con un numero particolarmente elevato di gradi di libertà, questa percentuale può superare il 30 percento. A differenza dei robot industriali tradizionali, le mani sono un componente essenziale della macchina e, di fatto, sono necessarie in duplice copia, poiché ogni robot ne richiede due. La domanda di mani è quindi direttamente proporzionale al volume di produzione, e i costi aumentano di conseguenza.