Dalle api idee su come fare volare i mini-droni in ambienti complessi

Il volo degli insetti è uno dei campi di studio più stimolanti per gli ingegneri che si occupano di robotica, in particolare per coloro che sono impegnati nello sviluppo di mini droni in grado di svolgere volo autonomo in ambienti complicati.

I droni capaci di volo autonomo non sono certo una novità e lo stesso si può dire per quelli modellati sulle caratteristiche degli insetti (--> QUI). Far volare un drone in uno spazio aperto non è oggi cosa tecnologicamente complicata, come dimostra la disponibilità nei negozi di elettronica di droni tascabili. Più complicato è invece progettare qualcosa che sia in grado di muoversi autonomamente e ad una velocità accettabile in ambienti complessi come ad esempio una fitta vegetazione. Capacità questa molto ben sviluppata negli insetti volanti che essendo inoltre piccoli e dotati di un sistema nervoso minimale (rispetto a quello di un qualsiasi vertebrato) e ben studiato, forniscono il modello ideale a cui ispirarsi per creare nuovi sistemi di navigazione nei droni.

Le api sono il modello ideale a cui ispirarsi per un insieme di fattori che vanno dalla loro capacità di orientamento al volo di precisione; sono inoltre tra gli insetti volanti più studiati, secondi solo al moscerino della frutta (alias Drosophila melanogaster e consimili).

Non sorprende quindi che le api robotiche ("robobee") siano "di moda" tra gli studiosi di microrobotica, come quelli che lavorano al prestigioso Harvard Microrobotics Lab. Oggi però i riflettori li puntiamo sulla università svedese di Lund dove si sta lavorando ad un prototipo capace di destreggiarsi autonomamente in ambienti complicati come quelli ricchi di vegetazione. Siamo ancora solo a livello di prototipi ma è interessante vedere il razionale alla base di questo approccio.

Tutto nasce dalla capacità delle api di volare agevolmente attraverso un fitto fogliame, cosa non semplice dati i fattori di confondimento dovuti sia alla presenza di ostacoli che al ben più problematico variare della intensità di luce da punto a punto, causato dall'azione filtrante delle foglie. Una gamma di luminosità che potrebbe mandare nel pallone molti sensori (provate a fare una foto nel sottobosco...) ma che non rappresenta un problema per le api che si spostano da un punto all'altro con deviazioni "plastiche", senza esitazioni e soprattutto senza andare a sbattere.
Il tutto, è bene ricordarlo, è gestito da un sistema nervoso semplificato e da occhi a bassa risoluzione, una dotazione non molto distante (come hardware) da quella implementabile nei moderni droni.

Nota. Nemmeno la risoluzione teorica degli occhi umani è così alta come si potrebbe pensare. Siamo al livello di 1 Mpx anche se noi crediamo di vedere in HD. L'impressione della ricchezza visiva deriva da una serie di caratteristiche funzionali e strutturali che agiscono come una sorta di post-produzione:

• in primis abbiamo i movimenti saccadici dell'occhio che portano in continuo le diverse porzioni del campo visivo sulla fovea, una minuscola zona della retina dove più alta è la densità di fotorecettori; 
• in secondo luogo (ma solo come ordine temporale) vi è l'elaborazione corticale del "segnale visivo" che inizia nella corteccia primaria (V1) e da lì lungo le vie dorsali o ventrali e ci permette di ricostruire i dettagli dell'immagine. 

La nostra capacità di evitare ostacoli anche quando non ne siamo consci sfrutta invece una via diretta e più antica (attraverso il cosiddetto cervello rettiliano) in cui il segnale visivo transita per talamo e amigdala (che urla "allarme, allarme") e attiva la risposta motoria nel tronco encefalico. Una volta attivato questo segnale di allarme, l'occhio viene "comandato" a fissare la minaccia e a fuggire o ad affrontarla (questo è il momento  in cui si diventa coscienti del "pericolo" scampato, come ad esempio un serpente). Per altri dettagli --> "Il cervello vede in 13 millisecondi".

Euglossa viridissima
(credit: wikimedia commons)

Il segreto del volo fluido delle api non può ovviamente risiedere in una elaborazione corticale di "minacce" ambientali ma deve per forza di cose essere "automatica" e rapida. 

Il punto centrale sembra risiedere nella loro capacità di elaborare la differenza di luminosità punto per punto permettendo così la rilevazione dei buchi nella vegetazione attraverso cui potere passare senza sfiorarne i bordi.
Se nell'ape comune che predilige prati e fiori questa è una abilità importante, diventa fondamentale nelle api delle orchidee (Euglossa viridissima) che vivono nelle foreste pluviali di Panama.

L'elemento utile per neuroscienziati e progettisti di droni sta proprio nella diversa modalità di elaborazione dei dati visivi tra il cervello di un essere umano e quella di un'ape. Mentre il cervello umano assorbe molte più informazioni di quelle di cui siamo consci, questa la ragione per cui si sono mantenute le vie "subcoscienti di risposta automatica", le api e altri insetti risolvono il problema dell'eccesso di informazioni facendo arrivare al cervello solo una minima parte degli input ambientali, girando tutto il resto nei circuiti periferici dove hanno sede le risposte automatiche. Il risultato è che gli insetti vedono l'ambiente ma non i dettagli e questo è esattamente quello che serve per evitare di andare a sbattere pur mantenendo una velocità adeguata al volo o per sfuggire ai predatori.
In parole semplici le api regolano velocità e l'altezza dal suolo registrando la velocità di avvicinamento dell'ambiente. Quando si trovano in un ambiente complesso la variazione di input si tradurrà in una automatica variazione di velocità e direzione del volo, così da rendere il volo "senza pensieri".

La grande sfida del prossimo futuro sarà sviluppare un sistema di rilevazione e controllo continuo sulla falsariga di quello delle api.
(Su temi analoghi vedi anche --> "Dalle api un sistema di atterraggio per gli aerei").

Di seguito un video sugli studi in atto dall'altra parte dell'oceano, ad Harvard

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Di fronte al rischio concreto della scomparsa delle api (e a cascata dei problemi catastrofici per l'agricoltura), l'organizzazione Greenpeace ipotizza che uno degli utilizzi pratici di questi minidroni sarà quello di fungere da "impollinatori surrogati".

Video da greenpeace

Articoli su temi correlati in questo blog: "RoboBee. Un insetto robot capace di muoversi sia in aria che in acqua"; "Il robot che copia il movimento dai serpenti"; "Le frontiere della robotica";

Fonti
- Studies of bees can enable drones that “see”
 Lunds Universitets Magasin (2016)

- Insect eyes enable drones to fly independently

 Lunds Universitets Magasin (2016)

- Finding the gap: a brightness-based strategy for guidance in cluttered environments. 

 Baird E, Dacke M. (2016) Proc. R. Soc. B