Sabbia che si auto-assembla formando oggetti

DAL BLOG LO SPIRITO DEL TEMPO

Traduzione a cura di Maurizio Bisogni e Daniel Iversen

Per testare il loro algoritmo, i ricercatori hanno progettato e costruito un sistema di "sassolini intelligenti" — cubetti di circa 10millimetri di lato, con all'interno processori e magneti.
Photo: M. Scott Brauer

Nuovi algoritmi potrebbero consentire a cumuli di ‘sabbia intelligente’ la possibilità di assumere qualsiasi forma, permettendo la formazione spontanea di nuovi strumenti o la duplicazione dei parti meccaniche rotte.

 
Immaginate di avere una grande scatola con della sabbia in cui seppellire un modellino di un poggiapiedi. Pochi secondi dopo, ci mettete dentro le mani e tirate fuori un poggiapiedi a grandezza naturale: la sabbia si è assemblata in una replica in scala del modello.
Può sembrare una scena tratta da un romanzo di Harry Potter, ma è la visione che anima un progetto di ricerca presso il Distributed Robotics Laboratory (DRL) al MIT Computer Science e Artificial Intelligence Laboratory. In occasione della Conferenza internazionale IEEE  sulla Robotica e Automazione che si terrà a Maggio – la maggiore conferenza del settore a livello mondiale – i ricercatori del DRL presenteranno un documento che descrive gli algoritmi che rendono questa sabbia intelligente una cosa possibile. Descriveranno anche gli esperimenti in cui hanno provato gli algoritmi su particelle un po’ più grandi della “sabbia intelligente.” – cubetti di circa 10 millimetri di lato, con microprocessori interni rudimentali e  magneti particolari sulle loro quattro facce.
A differenza di molti altri approcci ai robot riconfigurabili, la sabbia intelligente utilizza un metodo sottrattivo, che ricorda la scultura in pietra, piuttosto che un metodo additivo, simile all’assemblamento dei blocchi di Lego. Un mucchio di sabbia intelligente sarebbe come il blocco grezzo di pietra con il quale inizia uno scultore. I singoli granelli si passano simultanemaente dei messaggi, e si attaccano selettivamente l’uno all’altro per formare un oggetto tridimensionale, mentre i granelli non necessari per costruire l’oggetto semplicemente cadono. Quando l’oggetto non servirà più, potrà essere rimesso nel mucchio dove i granelli che lo costituiscono potranno separarsi l’uno dall’altro, diventando quindi liberi di partecipare alla formazione di un nuovo oggetto.
Intelligenza distribuita
Algoritmicamente, la sfida principale nello sviluppo di sabbia intelligente è che i singoli granelli avrebbero risorse computazionali limitate. “Come si fa a sviluppare algoritmi efficienti che non distruggano le informazioni a livello di comunicazione e al livello di storage?”, si chiede Daniela Rus, una professoressa di informatica e ingegneria del MIT e co-autrice del nuovo studio insieme al suo allievo Kyle Gilpin. Se ogni granello potesse semplicemente memorizzare una mappa digitale di un oggetto da assemblare, allora potrebbero utilizzare un algoritmo in un modo molto semplice. Ma vorremmo risolvere il problema anche senza tale requisito, in quanto una possibilità del genere è semplicemente irrealistica quando si parla di moduli in questa scala.” Inoltre Rus dice che da una azione all’altra, i granelli nel mucchio saranno rimescolati in maniera completamente diversa. “Per questo motivo non vogliamo controllare in anticipo se i nostri blocchi assemblati potranno raggiungere la forma assegnata.” dice Rus.

Per attaccarsi gli uni agli altri, per comunicare e condividere energia, i cubi usano dei "magneti elettropermanenti", un materiale dove il magnetismo può essere acceso o spento con scosse di energia. Ogni cubo ha magneti - riconoscibili dai filetti rossicci che gli sono avvolti intorno - su quattro delle loro sei facce.
Photo: M. Scott Brauer

Trasmettere le informazioni al cumulo di sabbia con un semplice modello fisico per generare una forma – come per esempio un piccolo sgabello – aiuta a spiegare entrambi questi problemi. Per avere un idea di come l’algoritmo dei ricercatori lavora, è probabilmente più semplice considerare il caso bidimensionale. Immaginate ogni granello di sabbia come quadrato in una griglia bidimensionale. Ora immaginate che alcuni dei quadrati – per esempio, che formano uno sgabello, siano mancanti. È lì che il modello fisico è incorporato.
Secondo Gilpin,co-autore dello studio, i grani prima passano i messaggi tra di loro per determinare quali sono i vicini mancanti. (Nel modello a grigia, ogni quadrato dovrebbe avere otto vicini.) Grani con i vicini mancanti sono solo in uno dei due seguenti posti: il perimetro del cumulo o il perimetro della forma incorporata.
Una volta che i grani che circondano la forma incorporata si identificano, semplicemente passando i messaggi ad altri granelli ed a una distanza fissa, e a loro volta si identificano per definire il perimetro del duplicato. Se il duplicato dovesse essere 10 volte più grande dell’originale, ogni quadrato che circonda la forma incorporata verra mappata a 10 quadrati dal duplicato del perimetro. Una volta che il perimetro del duplicato è stabilito, i granelli di fuori di esso si disconnetteranno dai loro vicini.
Prototipazione rapida
Lo stesso algoritmo può essere variato per produrre molteplici copie di dimensioni analoghe di una forma campione, o per produrre un unica grande copia di un oggetto più voluminoso. “Consideriamo il caso del raggio della ruota di una vecchia auto che è stata deformato”, Gilpin dice. “Si potrebbe raddrizzarlo e metterlo nel vostro sistema per ottenerne uno nuovo.”
I cubettini o “ciottoli-intelligenti” che Gilpin e Rus hanno costruito per testare il loro algoritmo, ricreano in maniera semplificata la versione bidimensionale di questo sistema. Quattro facce di ogni cubo sono costellate dei cosiddetti magneti elettro-permanenti, materiali che possono essere magnetizzati o smagnetizzazione con un singolo impulso elettrico. A differenza di magneti permanenti, essi possono essere attivati e disattivati, e a differenza degli elettromagneti, non richiedono una corrente costante per mantenere la loro magnetizzazione. I “ciottoli intelligenti” usano i magneti non solo per connettersi gli uni agli altri, ma anche per comunicare e condividere enegia. Ogni ciottolo ha anche un piccolo microprocessore, in grado di memorizzare solo 32 KB di codice di programmi e ha solo due kilobyte di memoria di lavoro.
I ciottoli sono magnetizzati su solo quattro delle facce perché, con l’aggiunta del microprocessore e circuiti per regolare la potenza, non c’era posto per altri due magneti.” Inoltre Gilpin e Rus hanno eseguito simulazioni al computer e hanno mostrato che il loro algoritmo funzionerebbe anche tridimensionalmente, trattando ogni strato dei blocchi proprio come il reticolo bidimensionale a piu’ livelli. I cubetti scartati dalla forma finale sarebbero in grado di scollegare i cubi sopra e sotto come pure quelli che li affiancano.
La vera “sabbia intelligente”, naturalmente, richiederebbe granelli molto più piccoli di 10 millimetri cubi. Ma secondo Robert Wood, professore associato di ingegneria elettronica all’Università di Harvard, questo non è un ostacolo insormontabile. “Prendiamo in considerazione le funzionalità principali dei loro ciottoli”, dice Wood, che dirige il laboratorio di Microrobotica ad Harvard. “Questi hanno la capacità di attaccarsi con i loro vicini, hanno la capacità di parlare con i loro vicini, hanno la capacità di fare qualche calcolo. Queste sono tutte cose certamente fattibili in blocchetti più piccoli. “
“Ci vorrà parecchia miro-ingegneria per fare questo, naturalmente,” avverte Wood. “E’ una idea ben posta, ma molto difficile a causa delle sfide ingegneristiche da affrontare per il futuro.”

Fonte: MIT

 

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