L’esplorazione scientifica delle profondità oceaniche è rimasta in gran parte inaccessibile alla maggior parte delle persone a causa delle barriere all’accesso dovute ai requisiti di infrastrutture, formazione e abilità fisica per la ricerca oceanografica in mare.
Ora, un quadro nuovo e innovativo per la ricerca oceanografica offre agli scienziati a terra, agli scienziati cittadini e al pubblico in generale un modo per osservare e controllare senza problemi i processi di campionamento robotico.
Il framework SHARC (Shared Autonomy for Remote Collaboration) “consente ai partecipanti remoti di condurre operazioni a bordo della nave e controllare manipolatori robotici” – come su veicoli gestiti a distanza (ROV) – “utilizzando solo una connessione Internet di base e hardware di livello consumer, indipendentemente dalla la loro precedente esperienza di pilotaggio”, secondo un articolo in Robotica scientifica, “Migliorare l’esplorazione scientifica delle profondità marine attraverso l’autonomia condivisa nella manipolazione remota”. Il quadro è stato sviluppato da un gruppo di ricerca della Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Toyota Technological Institute di Chicago (TTIC).
Il framework SHARC consente la collaborazione in tempo reale tra più operatori remoti, che possono impartire comandi mirati attraverso semplici gesti vocali e manuali mentre indossano occhiali per realtà virtuale in una rappresentazione intuitiva dello spazio di lavoro tridimensionale.
Attraverso SHARC, “possiamo aprire gli aspetti operativi dell’esplorazione delle profondità marine ai cittadini scienziati, siano essi bambini in classe o persone che non possono essere presenti su una nave a causa di esigenze logistiche o fisiche”, ha affermato il coautore Richard Camilli, ricercatore principale del progetto e scienziato del Dipartimento di Ingegneria e Fisica Applicata dell’Oceano dell’OMS. “Gli scienziati cittadini possono interagire con il braccio manipolatore robotico del ROV in un mondo virtuale, in qualche modo analogo al sistema olografico fantascientifico del ‘ponte ologrammi’ utilizzato sulle astronavi della Federazione in Star Trek.”
L’interazione uomo-robot – a volte definita autonomia condivisa – consentita da SHARC, delega le responsabilità tra il robot e l’operatore umano in base ai loro punti di forza complementari. Il robot, ad esempio, può gestire la cinematica, la pianificazione del movimento, l’evitamento degli ostacoli e altri compiti di basso livello, mentre gli operatori umani si assumono la responsabilità della comprensione della scena di alto livello, della selezione degli obiettivi e della pianificazione a livello di attività. Inoltre, SHARC consente operazioni parallele anziché sequenziali.
“Diamo semplicemente al robot il suo obiettivo e lui trova una soluzione”, ha detto Camilli. “Le persone e il robot possono collaborare insieme, senza aspettare che accada una cosa per fare quella successiva. Mentre il braccio robotico esegue un compito, noi possiamo concentrarci sull’obiettivo successivo.”
Nel settembre 2021, durante il culmine della pandemia di Covid, gli scienziati hanno testato con successo SHARC. Durante una spedizione oceanografica nel bacino di San Pedro nell’Oceano Pacifico orientale, i membri del team SHARC hanno utilizzato il ROV ibrido Nereid Under Ice (NUI) di WHOI da migliaia di chilometri di distanza utilizzando la realtà virtuale e le interfacce desktop di SHARC. I membri del team – fisicamente dislocati a Chicago, Boston e Woods Hole – hanno raccolto in collaborazione un campione fisico di spinta e hanno registrato misurazioni di fluorescenza a raggi X in situ di tappetini microbici e sedimenti del fondale marino a profondità d’acqua superiori a 1000 metri.
“Questo documento evidenzia davvero il potenziale dell’autonomia condivisa per aiutare a democratizzare l’accesso alle profondità marine”, ha affermato l’autrice principale Amy Phung, studentessa del programma congiunto MIT-WHOI in Oceanografia/Scienze e ingegneria applicata all’oceano, corso di laurea. Phung è stato uno degli scienziati che hanno utilizzato il veicolo NUI durante il test SHARC del 2021. “Con SHARC, il nostro team a terra è stato in grado di raccogliere campioni di fondale marino da oltre 4.000 chilometri di distanza senza hardware specializzato o formazione preliminare approfondita. In futuro, credo che ulteriori progressi nella robotica e nella ricerca sull’autonomia potranno un giorno consentire agli scienziati a terra, studenti e appassionati a partecipare attivamente e a contribuire alle operazioni di esplorazione delle profondità oceaniche man mano che si svolgono, il che a sua volta può aiutare a promuovere l’alfabetizzazione sull’oceano tra il grande pubblico”.
“Che si tratti di terra, aria o oceano, la maggior parte dei robot che operano oggi lo fanno in due modi nettamente diversi: piena autonomia o pieno controllo remoto da parte di piloti altamente qualificati, quest’ultimo standard per impostazioni come la manipolazione subacquea che implicano interazioni complesse tra i robot e il loro ambiente. Questo articolo descrive un nuovo quadro che consente ai robot di operare tra questi due estremi in un modo che sfrutta le capacità complementari dei robot e degli esseri umani”, ha affermato il coautore Matthew Walter, associato professore al TTIC. Walter attualmente è anche un investigatore ospite del WHOI; in precedenza, era uno studente del programma congiunto MIT-WHOI. “SHARC consente a persone con una formazione minima o nulla di eseguire compiti sofisticati con robot di acque profonde, con la supervisione di un pilota, dalla comodità delle loro case e dei loro uffici attraverso una combinazione di parlato e realtà virtuale e, a sua volta, promette di ridefinire il modo in cui usiamo robot per la scienza e l’ingegneria marina.”
Inoltre, SHARC non dipende da un tipo specifico di ROV, braccio manipolatore o altri fattori. “Possiamo applicare la stessa tecnologia SHARC con bracci robotici e veicoli totalmente diversi in contesti completamente diversi”, ha affermato Camilli. Il framework SHARC “è flessibile e indipendente dall’hardware”.
“Utilizzando il framework SHARC per l’esplorazione scientifica nelle profondità marine – che è un ambiente molto impegnativo e non strutturato – si evidenzia che questa tecnologia può essere trasferibile anche a molti contesti operativi diversi, compresa potenzialmente la manutenzione delle infrastrutture scientifiche sottomarine, operazioni spaziali, smantellamento nucleare e persino bonifica di ordigni inesplosi”, ha aggiunto Camilli.
Il finanziamento per questa ricerca è stato fornito dalla National Robotics Initiative della National Science Foundation (NSF), dal programma Planetary Science and Technology from Analog Research (PSTAR) della NASA, dalla NSF Graduate Research Fellowship e dalla Link Foundation. Il NOAA Ocean Exploration Cooperative Institute ha fornito supporto in natura con le operazioni di navi e veicoli robotici durante le dimostrazioni dell’Oceano Pacifico del 2021 nel bacino di San Pedro.
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