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15/05/2019

Tecnologia 5G per i robot di domani

By: Lorenzo Natale

Le prestazioni in termini di banda saranno di circa 10-20 volte superiori rispetto alla rete precedente

La robotica sta facendo passi da gigante e, anche grazie agli sviluppi sul fronte dell’intelligenza artificiale, stanno crescendo le aspettative connesse a future applicazioni che vedono la robotica entrare nella vita di tutti i giorni.

Le potenziali applicazioni della robotica sono molteplici e vanno dalla robotica industriale (i cosiddetti robot collaborativi), la robotica per applicazioni di servizio, la riabilitazione, applicazioni in ambito civile e, infine, commerciali.

I robot del “futuro” si distinguono da quelli attualmente utilizzati in ambito industriale e dell’automazione, perché devono operare in ambienti non controllati, dove è difficile conoscere l’esatta posizione delle cose e la forma degli oggetti.

In questo contesto diventa fondamentale dotare il robot di sensori che permettono al robot di sondare l’ambiente, identificare gli oggetti, misurare la loro posizione e così via. Esempi di sensori sono le telecamere, i microfoni, i laser e sensori di contatto. I dati acquisiti dal robot tramite questi sensori sono in parte elaborati a bordo del robot stesso e vengono successivamente inviati a dei calcolatori che li elaborano. I risultati dell’elaborazione sono poi rimandati al robot che li utilizza per controllare il movimento.

Benché negli anni sia aumentata la capacità di calcolo e la miniaturizzazione dei processori, è difficile pensare di alloggiare su un robot tutta la capacità di calcolo necessaria, pena l’aumento del peso del robot e il suo consumo energetico. L’avvento delle tecniche di elaborazioni di immagini e del suono basati su apprendimento profondo (deep learning) hanno ulteriormente spinto le risorse computazionali necessarie per il funzionamento di un robot. Anche il controllo remoto richiede una connessione con il robot da parte di un utente potenzialmente distante al robot. Per questi motivi diventa importante poter connettere un robot tramite una connessione radio con uno o più calcolatori esterni.

Tuttavia perché il robot funzioni correttamente è necessario che la connessione sia sufficientemente capiente (in termini di banda, ossia il numero di dati al secondo che si possono trasferire) e che abbia latenza ridotta (la latenza è il tempo che impiegano i dati a transitare lungo la connessione). L’effetto della latenza elevata in un algoritmo di controllo è distruttivo. Si pensi a cosa succede quando cerchiamo di regolare la temperatura della doccia: se muoviamo troppo velocemente il miscelatore a causa del ritardo con il quale percepiamo la variazione di temperatura dell’acqua rischiamo di oscillare tra temperature troppo elevate o troppo basse. Lo stesso succede a un algoritmo di controllo di un robot al crescere del ritardo nella comunicazione tra il “cervello” e i motori. Chiaramente è altrettanto importante che la capacità del servizio radio sia costante nel tempo.

Le tecnologie attuali non sono in grado di offrire performance adeguate. La tecnologia 4G ha limitazioni in termini di banda e latenza. La banda disponibile è asimmetrica, perché il 4G è stata progettato per favorire il flusso di informazioni dalla rete ai cellulari (per lo streaming di informazioni), sacrificando le prestazioni nella direzione opposta. In un robot, al contrario, i dati sensoriali viaggiano nella direzione opposta, e sono quelli che utilizzano maggior quantità di banda. Questo mette in crisi la tecnologia attuale. La tecnologia wifi che usiamo nelle case, d’altro canto, presenta latenza elevate, e risente di interferenze date da altri dispositivi, per cui non può garantire un servizio di qualità non solo elevata, ma anche costante.

La tecnologia 5G nasce per superare le limitazioni del 4G, in termini di banda, e in termini di garanzie di latenza. Con la tecnologia 5G è possibile trasmettere maggiori quantità di dati in entrambe le direzioni, e a bassissima latenza. Gli operatori telefonici stanno facendo i primi test con questa tecnologia in questi mesi, per cui non si hanno numeri esatti, tuttavia si stima che le prestazioni in termini di banda del 5G rispetto al 4G saranno di circa 10-20 volte sia in termini di banda che in termini di latenza.

Con il 5G, inoltre, l’operatore telefonico può gestire un numero molto maggiore di dispositivi e riservare parte della banda per un determinato utente. Le prestazioni della rete per questo utente non subiranno cali, all’aumentare delle richieste fatte da altri utenti sulla rete. Si pensi per esempio a un robot o a un drone che si trova ad operare in un ambiente affollato dove le persone usano il cellulare (per esempio una mostra o un evento). Con la tecnologia 5G l’operatore può riservare la banda disponibile al robot, in modo che possa funzionare correttamente indipendentemente dall’utilizzo della rete.

Le applicazioni future della robotica avranno bisogno di connessioni veloci con prestazioni garantite nel tempo.

Si pensi, ad esempio, alla chirurgia robotica o alla telemedicina in ambienti rurali oppure alla robotica civile dove veicoli oppure droni autonomi intervengono per durante situazioni di emergenza. Queste applicazioni richiedono l’invio di immagini ad alta risoluzione, dal robot verso l’operatore: la bassa latenza nella comunicazione ottimizza il lavoro dell’operatore e semplifica il controllo del robot rendendo la teleoperazione fluida e sicura.

Un’altra applicazione è la robotica di servizio, che prevede la realizzazione di robot per la distribuzione delle medicine, l’assistenza delle persone anziane o malate, oppure robot per la prima accoglienza all’interno di una reception o in un museo. Queste applicazioni richiedono maggior autonomia da parte del robot, e quindi fanno uso di algoritmi intelligenti per l’interpretazione delle immagini, l’interazione vocale con le persone e la navigazione. Queste capacità richiedono una grande potenza di calcolo, che può risiedere in data center dedicati e resa disponibile al robot tramite la connessione 5G.

La tecnologia 5G può portare connessioni dati ad alta velocità senza bisogno di utilizzare cavi, per questo motivo è una tecnologia indispensabile nella grande maggioranza delle applicazioni della robotica del futuro. L’affidabilità del 5G rende questa tecnologia un elemento di vitale importanza per lo sviluppo commerciale di queste applicazioni.

Lorenzo Natale ha conseguito la laurea in Ingegneria Elettronica e il titolo di dottorato in Robotica presso l’Universita’ degli Studi di Genova. Successivamente ha svolto un periodo di post-dottorato presso il laboratorio CSAIL all’MIT di Boston ed e’ stato professore a contratto presso l’Universita’ di Genova. Attualmente e’ senior researcher presso l’Istituto Italiano di Tecnologia dove dirige il laboratorio di “Humanoid Sensing and Perception” e il gruppo di sviluppo software di iCub. Lorenzo Natale ha lavorato allo sviluppo di varie piattaforme robotiche. Si occupa di architetture software e temi di ricerca legati alla percezione visiva e tattile. Lorenzo Natale e’ autore di circa 150 articoli scientifici ed e’ membro del comitato editoriale di vari riviste e congressi.