Imitare il cervello degli insetti: un passo avanti nella robotica efficiente

Nella vasta distesa della natura, alcune delle ispirazioni più profonde provengono dalle creature più piccole. Gli insetti, spesso trascurati a causa delle loro dimensioni ridotte, sono in realtà meraviglie della navigazione e dell’efficienza. La loro capacità di muoversi in ambienti complessi con un cervello non più grande di una capocchia di spillo ha affascinato a lungo scienziati e ingegneri. A guidare l'incarico di scoprire questi segreti è la fisica Elisabetta Chicca, il cui lavoro recente colma il divario tra la comprensione biologica e l’innovazione tecnologica.

Chicca ha intrapreso un viaggio per decodificare il modo in cui queste minuscole creature raggiungono imprese così straordinarie. Il suo lavoro non solo fa luce sui misteri della navigazione degli insetti, ma apre anche la strada ai progressi nell’informatica e nella robotica ad alta efficienza energetica.

Sblocco della navigazione degli insetti

Gli insetti, nonostante le loro limitate risorse neurali, mostrano sorprendenti capacità di navigazione. Evitano senza sforzo gli ostacoli e si muovono abilmente attraverso le più piccole aperture, un'impresa che ha lasciato perplessi gli scienziati per anni. Il punto cruciale di questa capacità risiede nella loro percezione unica del mondo.

Chicca spiega nella sua ricerca che un aspetto chiave della navigazione degli insetti è il modo in cui percepiscono il movimento. È simile all'esperienza di sedersi su un treno e osservare il paesaggio: gli alberi vicini sembrano muoversi più velocemente delle case lontane. Gli insetti utilizzano questa velocità differenziale di movimento per misurare la distanza e spostarsi. Questo metodo semplice ma efficace funziona bene quando ci si sposta in linea retta. Tuttavia, il mondo reale raramente è così semplice.

Gli insetti si adattano alla complessità del loro ambiente semplificando il loro comportamento. Solitamente volano in linea retta, fanno una virata e poi procedono in un'altra linea retta. Le osservazioni di Chicca rivelano una lezione importante: le limitazioni nelle risorse possono essere controbilanciate da aggiustamenti comportamentali.

Il viaggio dalle intuizioni biologiche alle applicazioni robotiche è una storia di collaborazione interdisciplinare. Thorben Schoepe, uno studente di dottorato sotto la supervisione di Chicca, ha sviluppato un modello che imita l'attività neuronale degli insetti, che è stato poi tradotto in un piccolo robot in grado di navigare.

Questo robot, che incarna i principi della navigazione degli insetti, è stato il frutto di una stretta collaborazione con Martin Egelhaaf, un rinomato neurobiologo dell'Università di Bielefeld. La competenza di Egelhaaf nella comprensione dei principi computazionali degli insetti è stata fondamentale per lo sviluppo di un modello che emulasse accuratamente le loro strategie di navigazione.

Le imprese di navigazione del robot

La vera dimostrazione di qualsiasi modello scientifico risiede nella sua applicazione pratica. Nel caso della ricerca di Chicca, la controparte robotica del cervello di un insetto ha messo in mostra le sue capacità in una serie di test complessi. Il più sorprendente di questi è stata la navigazione del robot attraverso un corridoio, le cui pareti erano decorate con una stampa casuale. Questa configurazione, progettata per imitare i diversi stimoli visivi a cui è sottoposto un insetto, ha rappresentato un percorso impegnativo per qualsiasi sistema di navigazione.

Il robot, equipaggiato con il modello di Thorben Schoepe, ha dimostrato una straordinaria capacità di mantenere una traiettoria centrale nel corridoio, un comportamento sorprendentemente simile a quello degli insetti. Questo risultato è stato ottenuto sterzando verso le aree con il movimento meno apparente, imitando la strategia naturale degli insetti per valutare distanza e direzione. Il successo del robot in questo ambiente ha rappresentato una convincente convalida del modello.

Oltre al corridoio, il robot è stato testato in vari ambienti virtuali, ognuno dei quali presentava una serie di sfide specifiche. Che si trattasse di aggirare ostacoli o di trovare la strada attraverso piccole aperture, il robot ha mostrato un'adattabilità e un'efficienza che ricordavano le sue controparti biologiche. Chicca ha concluso che la capacità del modello di funzionare in modo coerente in diversi contesti non era solo una dimostrazione di abilità tecnica, ma un riflesso dell'efficienza e della versatilità di base della navigazione degli insetti.

Il robot di Thorben Schoepe in un corridoio con stampe casuali. Foto Leoni von Ristok

Efficienza nella robotica: un nuovo paradigma

Il mondo della robotica è stato a lungo dominato da sistemi che apprendono e si adattano attraverso un'intensa programmazione ed elaborazione dei dati. Questo approccio, pur essendo efficace, richiede spesso ingenti risorse computazionali ed energetiche. La ricerca di Chicca introduce un cambio di paradigma, traendo ispirazione dal mondo naturale, dove l'efficienza è fondamentale.

Gli insetti, che sono stati a focus della robotica per molto tempo, nascono con un'innata capacità di navigare in modo efficiente fin dall'inizio, senza bisogno di apprendimento o di una programmazione complessa. Questa efficienza "innata" è in netto contrasto con l'approccio tradizionale alla robotica. Emulando questi principi biologici, i robot possono raggiungere un livello di efficienza attualmente irraggiungibile con i metodi convenzionali.

Chicca immagina un futuro in cui la robotica non si limiterà solo all'apprendimento e all'adattamento, ma anche all'efficienza innata. Questo approccio potrebbe portare allo sviluppo di robot più piccoli, meno energivori e più adatti a una varietà di ambienti. È una prospettiva che sfida lo status quo e apre nuove possibilità nella progettazione e nell'applicazione dei sistemi robotici.