Duemila anni fa, per determinare la capacità di lavoro della propria famiglia, un cittadino dell'antica Roma avrebbe fatto riferimento al numero di schiavi in suo possesso. All'inizio del ventesimo secolo, per questa stessa valutazione si potevano contare i motori elettrici disponibili. Oggi, invece, noi contiamo i microprocessori. Molte case moderne contengono oltre cento microprocessori, senza contare quelli - da cinquanta a ottanta - presenti a bordo delle moderne automobili. E, in effetti, un microprocessore è un robot dell'era moderna, “un agente artificiale meccanico o virtuale”.
L'era dei robot
L'era dei robot è già iniziata. Pochi decenni fa era solo fantascienza, ma tra vent'anni le nostre case saranno popolate da moltissimi robot. Isaac Asimov, noto soprattutto per i suoi romanzi di fantascienza, formulò le “tre regole fondamentali della robotica”, meglio note come le “tre leggi della robotica”, ideate per impedire ai robot di fare del male agli esseri umani. Asimov disse: “non temo i computer. Temo la loro mancanza ”. Noi concordiamo; se togliessimo i microprocessori dalle nostre case, il nostro standard di vita precipiterebbe. In un articolo del 1965, Gordon Moore propose un concetto che sarebbe divenuto famoso come “legge di Moore”. Immaginò una tecnologia digitale che si sviluppa molto rapidamente rimpicciolendo i transistor e quindi aumentando la densità dei microprocessori. In questo processo, il costo del singolo transistor diminuisce, rendendo accessibili processori sempre più potenti. Moore formulò previsioni sbalorditive. Scrisse infatti: “Il futuro dell'elettronica integrata è il futuro dell'elettronica in quanto tale. I vantaggi dell'integrazione consentiranno all'elettronica di diffondersi, portando questa scienza in molte nuove aree. I circuiti integrati produrranno meraviglie come i computer domestici (o almeno terminali connessi a un computer centrale), controlli automatici per le automobili, apparati personali portatili di comunicazione. L'orologio da polso elettronico necessita solo di un display per essere realizzabile già oggi”. E questo veniva scritto quarantotto anni fa! Oggi noi componiamo articoli usando il riconoscimento del parlato (a casa, su un laptop) e li salviamo nel cloud; guidiamo auto dotate di oltre cinquanta processori; restiamo in contatto con tutto il mondo - via voce, email e video - grazie a uno smartphone; e compriamo orologi digitali per meno di dieci dollari. Questi sono tempi entusiasmanti. Le nostre innovazioni e i nostri standard di vita sono limitati solo dall'immaginazione. Ma torniamo alla legge di Moore. Nel corso degli anni è stata leggermente modificata, ma il suo concetto di fondo rimane valido. Oggi noi diciamo “la densità dei transistor nei circuiti integrati raddoppia, approssimativamente, ogni due anni”. Questo andamento, simile a quello dell'interesse composto nel settore bancario, è stato confermato per tutti questi ultimi quarantotto, incredibili anni. Vediamo, ad esempio, i processori Intel: nel 1971 il processore 4004 conteneva 2300 transistor; nel 1978, il modello 8068 ne aveva 29.000; nel 1989, il 486 conteneva 1.200.000 transistor; nel 1999, il Pentium III raggiunse 9.500.000 dispositivi; nel 2009 i processori Intel arrivarono a contenere 774 milioni di transistor, 5 e nel 2011 ben 2.270 milioni. Grazie a questo eccezionale aumento di densità, anche le altre previsioni di Moore si sono avverate. Il prezzo dei microprocessori è diminuito e di conseguenza questi dispositivi si sono diffusi in tutti i settori. Oggi è possibile comprare un piccolo processore per meno di un dollaro, o per pochi centesimi in grandi volumi. I tecnici hanno anche constatato che un microprocessore programmabile può essere venduto come dispositivo stand-alone, il che ha dato vita alle diverse famiglie dei processori Intel. Per una grande varietà di prodotti, oggi i fabbricanti possono scegliere tra un processore per applicazioni generali e un IC completamente personalizzato. Questa decisione si basa sul rapporto volumi/costi, sul ritorno dell'investimento e sul time to market. Ad esempio, consideriamo una semplice lampada Led da giardino a energia solare, che viene venduta al dettaglio a 3,33 dollari (negli Usa). Lo schema a blocchi di un per questo prodotto potrebbe comprendere una cella fotovoltaica, una batteria ricaricabile AA, un convertitore boost per caricare la batteria e alimentare il Led, un oscillatore per il clock, una macchina a stati (contatore sequenziale) ed i transistor per commutare il Led. L'alternativa è utilizzare un piccolo microprocessore con pochi transistor e diodi esterni. Si tratta di una scelta di natura economica, poiché l'Asic ha costi NRE (non-recurring engineering) relativamente alti. Bassi volumi produttivi, quindi, possono imporre l'approccio basato sul microprocessore per applicazioni generali. L'elemento costante nella corsa dei microprocessori è che tutti questi dispositivi usano l'elettricità. Rimpicciolendo i transistor è stato possibile ridurre i consumi, prolungando quindi la durata delle batterie. I robot, o “aiutanti domestici”, necessitano di elettricità per funzionare. Per ogni singola applicazione viene effettuata la scelta tra l'alimentazione da rete elettrica, da batteria ricaricabile o da batteria normale. Il telecomando che apre le portiere dell'auto non è ricaricabile, ma la sua batteria a moneta deve essere sostituita solo una volta all'anno. I contatori elettronici per il gas e l'acqua possono funzionare da dieci a quarant'anni senza cambiare la batteria, mentre solitamente gli elettrodomestici sono collegati all'impianto elettrico di casa. Dove ci conduce tutto ciò? L'era dei robot, immaginata così chiaramente da Gordon Moore nel 1965, è oggi onnipresente nella nostra vita quotidiana… e molti di noi non se ne rendono conto.
I robot: onnipresenti ma inosservati
Mentre esaminiamo le diverse modalità di fornitura dell'elettricità, possiamo chiederci: sapremmo costruire da soli tutto ciò che ci serve per soddisfare le necessità della vita? Purtroppo molti di noi non sono in grado di costruire le cose che usiamo nella vita quotidiana o che abbiamo in casa. Nemmeno le cose più semplici, come una penna a sfera, un telecomando, una lampada da giardino con alimentazione fotovoltaica, o qualche altro oggetto equipaggiato con il più semplice dei microcontrollori. Prima di occuparci della casa moderna media e della più semplice tra le macchine robotizzate, dobbiamo considerare anche i servizi pubblici che fanno affidamento sui robot. Oggi, infatti, il nostro comfort e benessere dipendono dalla disponibilità di servizi che funzionano grazie a microprocessori. La sera scorsa, tornando a casa dal lavoro con la mia auto, ho telefonato a mia moglie e le ho chiesto se le servisse qualcosa dal supermercato. In quella singola azione abbiamo fatto affidamento sui microprocessori del telefono cellulare, della stazione base, dell'automobile e anche del semaforo. Il conteggio totale delle “necessità” a supporto della vita quotidiana supera quota 90: elettricità, acqua potabile, gas, fogne, raccolta rifiuti, polizia, vigili del fuoco, servizi di riparazione per l'auto e gli elettrodomestici, supermercati ecc. Questi servizi robotici sono sempre presenti, al punto che ne ignoriamo l'importanza.
I robot nelle case
Ora torniamo alle case, anzi, a casa mia, che considero l'abitazione media di un cittadino con figli adulti residente in città. Dal nostro conteggio risulta che in casa abbiamo 158 motori elettrici, 87 macchine ad alimentazione elettrica e 278 microprocessori. I microprocessori sono ovunque: nei dimmer, nei timer, nei telecomandi, nelle candele a batteria, nelle luci da giardino a energia solare… E spesso per ogni categoria di prodotto sono presenti più esemplari: ad esempio abbiamo numerosi telefoni, lampade, computer, stampanti, allarmi per il monossido di carbonio, attrezzi a batteria. Credereste a otto rilevatori di fumo che formano una loro rete wireless mesh? L'aria condizionata programmabile ci permette di dormire la notte. Non dobbiamo più sbattere i panni su una pietra nel torrente, perché abbiamo lavatrici e asciugatrici, e l'acqua calda necessaria. Possiamo sfuggire alla noia grazie a due videoregistratori digitali (che registrano contemporaneamente quattro canali satellitari e tre canali della Tv terrestre; abbiamo inoltre due dispositivi che scaricano video streaming da Internet e due lettori di Dvd con audio surround. Mi fermo qui, ma ho reso l'idea. Questi apparati che ci viziano non funzionerebbero così bene - nei tempi voluti, con i giusti parametri di temperatura o luminosità ecc. - se i robot non fossero ovunque e se la fonte di energia elettrica che li alimenta non fosse affidabile. Vediamo ora alcuni robot che stanno diventando accessibili per un uso domestico generale.
Robot aspirapolvere
Possediamo due aspirapolvere robotizzati semi-autonomi: un Roomba e un Neato Robotics modello XV-11. Il Roomba è più vecchio e si muove con uno schema semi-casuale limitato da muri, scale e mobili, usando raggi IR.
Il modello XV-11 crea innanzitutto una mappa della stanza tramite un laser IR e quindi si autoprogramma per eseguire un efficiente movimento avanti-indietro. Sia il Roomba sia il Neato ritornano da soli alle loro stazioni di ricarica; il Roomba, però, deve essere riavviato perché non è dotato di memoria. L'XV-11 può tornare alla stanza da cui è arrivato e riprendere il lavoro; può ricaricarsi tutte le volte necessarie e spostarsi da una stanza all'altra, fino a pulire tutta la casa.
Il microprocessore del robot agisce come il regista di un film o di un video, coordinando tutte le azioni di aspirazione e pulizia e permettendo ad esso di funzionare autonomamente per la maggior parte del tempo. Naturalmente ci sono alcune eccezioni; qualunque dispositivo automatizzato può fallire. Una volta, ad esempio, il robot ha tentato di ingoiare il filo che usciva da un tappeto sfilacciato. Il dispositivo, comunque, è abbastanza intelligente da fermarsi e segnalare acusticamente una richiesta d'aiuto. Il display Lcd ci indica la natura del problema, così non dobbiamo tirare ad indovinare. Tutto ciò mi lascia più tempo per evadere la lista di cose da fare stilata da mia moglie, con sua grande soddisfazione. Questa, per me, è tecnologia “cool”. Ma abbiamo veramente bisogno di un robot aspirapolvere? Non potremmo usare un aspirapolvere manuale? Si, certo, ma ci sono altri vantaggi. Il vantaggio principale è il tempo, tempo per fare altre cose. Inoltre questi robot usano meno energia del nostro aspirapolvere manuale, il che li rende “più verdi”. E, cosa ancora più importante, possono essere programmati per ridurre il normale accumulo di polvere, a beneficio della nostra salute.
Illuminazione senza confronti
Parliamo ora di lampade; forse non è scontato che si tratti di robot, ma sono comunque robotiche nelle loro funzioni. Il nostro ingresso frontale ha un soffitto a volta illuminato per riflessione da una serie di Led collocati in una scanalatura perimetrale. Il colore della luce Led - così come la dissolvenza e l'alternanza tra i colori - può essere cambiato a piacere tramite un telecomando IR. Questa regolazione richiede due microprocessori, uno nel telecomando e uno nel ricevitore che comanda i Led. All'esterno della casa i percorsi pedonali sono illuminati da lampade Led a energia solare; altre luci Led decorative cambiano colore ciclicamente tra rosso, verde e blu. Le funzioni di ricarica della batteria da cella solare e di alternanza dei colori sono gestite da un microprocessore specializzato. Queste lampade a Led hanno rimpiazzato un sistema cablato a 12 V con trasformatore Ac che dava problemi di manutenzione. In tutta la casa, inoltre, ci sono lampade fluorescenti compatte, molte delle quali dotate di dimmer che sono controllati, anche a distanza, da IC o microprocessori specializzati. Sebbene predisposte per i dimmer, le lampade fluorescenti presentano un fastidioso difetto: si “parlano” tra loro tramite la rete elettrica e in alcune situazioni i rispettivi alimentatori a commutazione tentano di sincronizzarsi, provocando un lampeggiamento. Ironicamente, la soluzione consiste nel sostituire una delle lampade fluorescenti con una lampadina a incandescenza. La bassa impedenza di quest'ultima sommerge gli impulsi di corrente delle lampade fluorescenti e previene il crosstalk. È un esempio di come la vecchia tecnologia possa salvare il microprocessore. All'esterno della casa ci sono lampade di sicurezza con sensori IR che rilevano e, si spera, scoraggiano gli intrusi. Alle basse temperature, abbiamo avuto delle difficoltà a regolare il sensore IR in modo da accendere la luce solo se ci sono persone nel vialetto, ignorando i radiatori caldi delle auto che passano per la strada. Abbiamo risolto questo problema aggiungendo un radar a 10,5 GHz con un microprocessore più intelligente. So che sembra eccessivo usare sia sensori IR sia un radar per un agente intelligente (leggi robot) che controlla una semplice lampada. Ciononostante, io sono un ingegnere e noi possediamo la tecnologia per aggirare i vincoli posti dalla natura. La nostra vasca a idromassaggio è dotata di una lampada; in origine si trattava di una lampadina a incandescenza a 12 Vac controllata da un interruttore. Per aggiungere un'illuminazione d'ambiente, quella lampadina è stata sostituita da Led Rgb controllati da un singolo interruttore acceso-spento. Naturalmente l'alimentazione dei Led avviene tramite diodi rettificatori che convertono la Ac in Dc e caricano un “grosso” condensatore, con una grande costante di tempo. La parte intelligente della soluzione è un secondo percorso dalla rete Ac con una costante di tempo più breve. L'alimentazione principale arriva tramite il grosso condensatore, mentre il secondo percorso segnala che l'interruttore è stato aperto per un istante. L'alimentazione principale sostanzialmente ignora la breve interruzione, mentre il secondo percorso incrementa un contatore che cambia la configurazione dei Led alimentati e controlla le tinte. Una delle regolazioni fa sì che i Led assumano ciclicamente tutti i colori. La vasca a idromassaggio funziona a 100°F, quindi indovinate cosa succede al grosso condensatore elettrolitico. Quando abbiamo estratto la lampada Led e i relativi circuiti, il condensatore principale da 470 μF è apparso gonfio e rinsecchito. Saldando un nuovo condensatore abbiamo risolto il problema per un altro anno.
Altri robot
Che ne dite di un robot per la telepresenza? Che può essere mandato a lavorare al posto mio, permettendomi di risolvere i problemi a distanza? Praticamente un robot che mi permette di essere in due posti diversi nello stesso momento. Davvero? Si, davvero. Alla sede centrale di Maxim a San Jose, in California, ci siamo fatti prestare un robot QB Avatar da Anybots e abbiamo provato il loro Virtual Presence System. Abbiamo partecipato a riunioni e comunicato come se fossimo davvero sul posto in persona. Come ingegnere posso dire che “è stato divertente”, inoltre abbiamo potuto verificare i risparmi di tempo ottenibili. Il QB Avatar si regge in equilibrio su due ruote usando servomeccanismi a microprocessore controllati da un giroscopio. La macchina ha una struttura a pendolo inverso, pesa solo 32 libbre ed è sicura per le persone nelle vicinanze. Il QB Avatar vive nel cloud e possiamo controllarlo in tutto il mondo via Internet con uno speciale protocollo video a bassissima latenza. Consente la collaborazione in tempo reale, facilitando la soluzione dei problemi degli apparati dei clienti. Possiamo posizionarlo alle spalle del tecnico e vedere l'oscilloscopio, tester o analizzatore di spettro, proprio come li vede lui. Il sistema può essere usato anche per l'addestramento del personale.
Il mio prossimo desiderio robotico è qualcosa a cui abbiamo pensato per oltre un decennio: le stampanti 3D, che dieci anni fa costavano da 25.000 a 50.000 dollari. Queste macchine consentono di progettare e costruire modelli tridimensionali senza investire in costosi stampi. Oggi per poche migliaia di dollari si possono comprare ottimi modelli professionali in grado di costruire grandi oggetti in plastica e metallo. Per il momento i modelli consumer o per hobbisti costruiscono solo oggetti in plastica, ma i loro prezzi partono da 400 dollari. Questa cifra è nello stesso ordine di grandezza di una stampante laser da ufficio ed è compatibile con il budget di un giocattolo da regalare a me stesso. Il mio limite, ora, è il tempo: il tempo per imparare a usare il software di progettazione 3D. Sto cercando un bel progetto per iniziare; tutti i suggerimenti sono graditi.
Conclusioni
Oggi la maggior parte delle persone si gode uno stile di vita molto confortevole grazie a microprocessori che eseguono funzioni robotiche. Tuttavia, ci capita raramente di pensare a questi robot e fa riflettere rendersi conto di quanto rapidamente tutte queste funzioni crollerebbero in mancanza di energia elettrica. Una volta è venuta a mancare la corrente e ci siamo trovati a camminare per casa azionando tutti gli interruttori delle lampade. Era un riflesso (robotico, se volete). Quando la corrente è tornata ci siamo sentiti davvero ridicoli, perché quasi tutte le luci della casa erano accese. Così abbiamo fatto il giro di tutte le stanze con i telecomandi per spegnerle. Ma d'altra parte siamo così “normali”! Usiamo i robot senza pensare e tentiamo perfino di farli lavorare quando proprio è impossibile. Quando impareremo?
