Un lampone di... silicone per istruire i robot alla raccolta

Un lampone di… silicone per istruire i robot alla raccolta

Gli ingegneri EPFL hanno sviluppato una bacca fittizia che può insegnare alle macchine ad afferrare il frutto senza esercitare troppa pressione

I lamponi sono il frutto estivo per eccellenza. Famosi per il loro accattivante colore scarlatto e per le loro caratteristiche morfologiche, sono costituiti da decine di drupe carnose con una polpa dolce ma leggermente acida.

Questa struttura delicata è però anche la loro principale debolezza, perché li rende vulnerabili anche al minimo graffio o ammaccatura. Gli agricoltori sanno fin troppo bene che i lamponi sono un frutto difficile da raccogliere, e che ciò si riflette sul loro prezzo al consumo.

Ma che cosa succederebbe se i robot, dotati di attuatori e sensori avanzati, potessero dare una mano ai contadini? Gli ingegneri del laboratorio Computational Robot Design & Fabrication (CREATE) della Scuola Federale Politecnica di Losanna hanno deciso di affrontare proprio questa sfida.

I costi della manodopera alle stelle e la carenza di lavoratori fanno perdere agli agricoltori milioni di franchi svizzeri di prodotti ogni anno, e il problema è ancora più grave quando si tratta di coltivazioni delicate come i lamponi. Ma, per ora, non c’è una valida alternativa alla raccolta manuale della frutta.

“È un dilemma eccitante per noi ingegneri robotici”, dice Josie Hughes, uno dei professori di CREATE.

“La stagione di raccolta dei lamponi è molto breve, e la frutta è così preziosa che sprecarla non può semplicemente essere un’opzione. Inoltre, i costi e le sfide logistiche per testare diverse opzioni sul campo sono proibitivi. Ecco perché abbiamo deciso di eseguire i nostri test in laboratorio e di sviluppare una ‘replica’, il ‘gemello’ di un vero lampone per addestrare i robot di raccolta”.

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Uno strumento efficace di addestramento per le attuali macchine

Il lampone (chiamato “Rubus Idaeus” nel 1753 da Linneo) è un arbusto appartenente alla famiglia delle Rosaceae e al genere Rubus.

L’omonimo frutto, di colore rosso e sapore dolce-acidulo, è molto apprezzato da solo o come ingrediente nelle preparazioni alimentari: esso è normalmente utilizzato nella preparazione di confetture, sciroppi e gelatine.

Per chi non lo sapesse, raccogliere un lampone non è un compito facile. Bisogna sostenere la bacca dal basso, afferrarla delicatamente tra il pollice e l’indice, poi tirare con attenzione finché non si stacca dal ricettacolo (la parte del frutto che rimane attaccata alla pianta) e cade nel palmo della mano.

Per aiutare i robot di raccolta ad abituarsi a questo compito, gli ingegneri di CREATE hanno progettato e costruito un lampone di silicone che può “dire” al robot quanta pressione viene applicata, sia mentre il frutto è ancora attaccato al ricettacolo che successivamente al rilascio.

Le proprietà del lampone di silicone possono essere regolate per simulare la resistenza del frutto e richiedere al robot di esercitare la forza di raccolta necessaria.

Grazie a questo feedback, le macchine possono essere addestrate a raccogliere la particolare bacca rossa senza arrecarle danni.

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Una grande impresa di ingegneria al di sotto del frutto di silicone

“Il nostro lampone ‘sensorizzato’, accoppiato con un programma di apprendimento automatico, può insegnare a un robot ad applicare la giusta quantità di forza”, spiega il dottorando Kai Junge.

“La parte più difficile è allenare il robot ad allentare la presa una volta che il lampone si stacca dal ricettacolo, in modo che il frutto non venga schiacciato. Questo è ciò che è più difficile da ottenere con i robot convenzionali”.

Sotto la sua forma innaturalmente uniforme e la superficie rosa leggermente traslucida, il “lampone replica” di CREATE è un’impressionante impresa di ingegneria.

La sua polpa è fatta di silicone e il suo ricettacolo di plastica stampata in 3D: contiene anche un sensore fluidico costituito da un tubo di silicone morbido per misurare la forza di compressione applicata dal robot. La forza di trazione che tiene insieme il frutto e il ricettacolo è invece generata da due magneti.

Per ora, il robot di raccolta del laboratorio è poco più di una pinza con due dita stampate in 3D, coperte da un sottile strato di silicone e collegate a un braccio robotico.

Anche così, gli ingegneri hanno dovuto sacrificare più di una… dozzina di lamponi per calibrare in laboratorio la loro pinza. Hanno poi effettuato una serie di test, prima raccogliendo la copia del lampone a mano e poi utilizzando il sistema robotico.

Anche se il team di CREATE ha dimostrato alla prova dei fatti che i concetti alla base del loro progetto non sono sbagliati, la tecnologia stessa è lontana dall’essere matura.

“È incredibilmente impegnativo”, dice Hughes. “Finora abbiamo usato un sistema di feedback molto semplice nel nostro robot. Il prossimo passo sarà quello di progettare e costruire controller più complessi in modo che i robot possano raccogliere i lamponi su una scala più grande senza schiacciarli”.

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In futuro telecamere per vedere dov’è la frutta e se è già matura

Gli ingegneri dell’EPFL stanno attualmente sviluppando un sistema di telecamere che permetterà ai robot non soltanto di “sentire” i lamponi, ma anche di “vedere” dove si trovano e se sono pronti per essere raccolti.

Hanno in programma di testare le loro speciali macchine di raccolta sul campo nel corso dell’estate, al culmine della stagione locale di maturazione delle bacche.

“Questo tipo di sistema potrebbe essere usato per raccogliere anche altri frutti, per esempio”, aggiunge Hughes.

“Vorremmo sviluppare la tecnologia anche per altri frutti, di bosco e no, ed applicare questo concetto di gemello fisico a compiti più complicati come altre bacche, pomodori, albicocche e uva”.

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