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Storie di successo dei progetti - La robotica degli sciami aiuterà I vigili del fuoco

Fumo, fuoco e altri pericoli sono ostacoli che ogni vigile del fuoco deve affrontare quando viene alle prese con un magazzino in fiamme. Ma con un team di robot autonomi specializzati nel coadiuvare le operazioni di ricerca e salvataggio, i vigili del fuoco sarebbero in grado di muoversi in modo più veloce e sicuro e, in definitiva, di salvare più vite.
Storie di successo dei progetti - La robotica degli sciami aiuterà I vigili del fuoco
Ogni volta che entra in un magazzino industriale avvolto dalle fiamme, un vigile del fuoco mette a rischio la propria vita. Il fumo è molto tossico e la visibilità bassissima. Egli dispone di circa 20 minuni di ossigeno contenuto nella sua bombola e in genere, a causa degli ostacoli, non riesce a percorrere più di 12 metri al minuto. Questo equivale a un massimo di 120 metri mentre, in media, un moderno magazzino misura circa 400 x 200 m.

I vigili del fuoco del South Yorkshire Fire and Rescue nel Regno Unito hanno fatto presente ai ricercatori che i magazzini industriali costituiscono un problema. La combinazione di grandi superfici e fumo li rende notoriamente difficili e qualche volta estremamente pericolosi da percorrere. Molti vigili del fuoco hanno perso la vita in incendi di magazzini. Il black out quasi completo causato dal fumo li disorienta. Rischiano di perdersi.

Prendendo spunto da questo, il progetto finanziato dall'UE Guardians ("Group of unmanned assistant robots deployed in aggregative navigation supported by scent detection") ha costruito uno sciame di robot autonomi ideati specificamente per aiutare i vigili del fuoco a ispezionare grandi magazzini. Gli sciami, in termini di robotica, si basano su una ricerca pionieristica che simula uno stormo di uccelli in volo. Il progetto è costruito su questo concetto in modo che i robot autonomi sono in grado di muoversi in una maniera che è influenzata dalla distribuzione geometrica.

"A quanto mi risulta, siamo tra i primi a provare la robotica degli sciami in un ambiente reale," dice Jacques Penders, coordinatore del progetto Guardians. "Lo scopo principale è di fare in modo che i robot collaborino tra di loro e siano in grado di operare in piccoli e grandi gruppi".

Per i vigili del fuoco, ogni secondo e ogni minuto contano. A Worcester (USA) sei vigili del fuoco hanno perso la vita dopo essersi persi in un magazzino a sei piani. I muri di cemento, i rinforzi e le scaffalature di metallo ostacolavano le vie di comunicazione vitali.

Simili tragici incidenti sono capitati anche in Europa. Lo sciame di robot sviluppati da Guardians, quindi, devono essere in grado di scambiarsi informazioni vitali gli uni con gli altri e con i i vigili del fuoco in condizioni estreme. Per questo motivo i ricercatori hanno dovuto progettare e sperimentare interfaccia che presentassero solo le informazioni più essenziali per guidare un vigile del fuoco e in condizioni che i robot esposti potessero sopportare.

Quando entra in un magazzino un vigile del fuoco si muove prima lungo un muro, il muro è il suo punto di riferimento. Solo in occasioni molto rare le squadre avanzano nel vuoto perché il fumo diventa sempre più denso. "La concentrazione di fumo aumenta man mano che ci si allontana dai muri," secondo la documentazione del progetto.

La maggior parte dei sensori robotici, come videocamere o telemetri laser, non funzionano sempre al meglio in condizioni difficili. I magazzini possono contenere scaffalature di metallo con ripiani pieni di confezioni metalliche come lattine o secchi. Questo intricato groviglio di metalli interferisce con la trasmissione e la ricezione dei segnali radio. Inoltre, le particelle del fumo deviano i laser.

"I vigili del fuoco di solito hanno una mappa dell'edificio nel quale stanno per entrare. Quando entrano contano i passi per mantenere la loro posizione e orientarsi. I robot fanno praticamente la stessa cosa," dice Penders.

Il primo robot si mette all'entrata e stabilisce un segnale. Rimane lì per tutta la durata dell'ispezione. Il secondo robot si muove lungo il muro e poi un terzo fa lo stesso. Il terzo robot diventa il terzo vertice di un triangolo equilatero. Altri robot quindi avanzano e usano un triangolo di nodi e linee di comunicaizone tra nodi di ripetitori.

I robot sono in grado di comunicare tra di loro attraverso una rete di comunicazione wireless. "Il fumo interferisce con i sensori a luce comunemente usati," fa notare Penders. "È per questo che stiamo cercando di usare le micronde," aggiunge.

Man mano che i robot avanzano nell'edificio, sviluppano una rete che diventa una mappa metrica bidimensionale e usano un comportamento di networking per mantenere ed espandere le comunicazioni. Se però un robot si stacca e perde il segnale dello sciame, o ritorna in un "luogo predefinito, ritorna cioè nell'ultima posizione nella quale il segnale wireless era abbastanza forte o continua a cercare sulla base del presupposto che incontrerà presto altri membri dello sciame," secondo il progetto Guardians.

I ricercatori del progetto vogliono che i robot aiutino attivamente il vigile del fuoco durante un'operazione di salvataggio. Lo sciame deve essere in grado di interagire direttamente e in modo coerente con il vigile e di determinare la direzione che egli deve seguire. Al livello più basilare, lo sciame reagirà autonomamente ai movimenti del vigile del fuoco. Quando egli si muove, anche lo sciame si muoverà.

Poiché i vigili del fuoco sono già in una notevole condizione di stress mentale e fisico, lo sciame non deve rappresentare un ulteriore peso o distrarre senza motivo la loro attenzione. Lo sciame al contrario deve completare la missione di ricerca e salvataggio.

I ricercatori quindi dovevano assicurare che i robot assumessero un comportamento appropriato e coerente e che facessero da interfaccia per permettere ai vigili del fuoco di orientarsi. La maggior parte delle operazioni di ricerca e salvataggio effettuate con l'aiuto di un robot sono condotte da un essere umano che si trova al di fuori della zona di pericolo.

Il progetto Guardian è unico perché un essere umano è in grado di collaborare con diversi robot sul campo. Ma questo richiede interfaccia innovative che permettano ai vigili del fuoco di interagire con lo sciame senza ulteriori sforzi. Inoltre, a causa delle condizioni estreme, i vigili del fuoco non possono contare solamente sulla vista e sull'udito o sulle tecnologie audiovisive comunemente usate.

Per superare queste difficoltà, i ricercatori hanno ideato un'interfaccia di feedback, un dispositivo visivo che si istalla dentro il casco del vigile. I ricercatori stanno anche sviluppando un'interfaccia tattile che si può istallare sul corpo del vigile.

Guardians ha disegnato e costruito due visori con luce a schiera. Ogni visore è stato testato dal South Yorkshire Fire and Rescue e ha permesso ai ricercatori di fare le dovute modifiche per migliorarne il rendimento. Questo è stato fatto attraverso diversi test con prove ed errori poiché inizialmente i vigili del fuoco erano un pò incerti con questi dispositivi.

"La robotica degli sciami associata a un essere umano era sia interessante che impegnativa. Lo scopo nel lungo termine è quello di guadagnarsi la fiducia dell'essere umano perché i segnali possono qualche volta distrarre," dice Penders. "Dobbiamo vedere come i vigili del fuoco possono usare questo sistema.

Prima di tutto l'interfaccia deve fornire un feddback visivo dei dati in streaming dello sciame. Questo si può fare mostrando una rete di LED RGB all'interno del visore. Allo stesso tempo, il vigile del fuoco deve avere piena fiducia che le informazioni siano corrette. Comprensibilmente, pochi vigili del fuoco si allontanerebbero da un muro o da un altro punto di riferimento a causa dei pericoli che ciò comporta.

Il primo visore testato indicava sia la direzione più sicura che quella migliore da prendere. Durante il test, ai vigili del fuoco è stato chiesto di effettuare una normale attività di ricerca e salvataggio. È stato anche chiesto loro di effettuare diversi altri compiti come riferire verbalmente ai coordinatori dei test sui loro progressi e agli altri compagni che vi partecipavano. I risultati hanno indicato che i vigili del fuoco a volte ignoravano il segnale di direzione RGB LED. I vigili del fuoco hanno informato i ricercatori che i dati sulla direzione mostrati all'interno del visore dovevano essere più semplici e chiari.

Il secondo visore è stato montato su un casco pienamente operativo. Accando al display LED, i ricercatori hanno messo un sensore di misurazione interna che rileva l'orientazione del vigile mentre segue le istruzioni. Come nel primo test, ai vigili del fuoco è stato chiesto di effettuare una serie di attività. Ma a differenza del test precedente, nel quale le informazioni riguardanti la direzione venivano aggiornate continuamente, il secondo test forniva ai vigili del fuoco meno istruzioni.

La parte esterna dei visori era coperta in modo che il vigile del fuoco doveva affidarsi ai segnali del visore per le istruzioni di navigazione. Un secondo vigile del fuoco, anch'egli bendato, seguiva il primo vigile del fuoco, come previsto dai normali protocolli di ricerca e salvataggio. Entrambi erano legati a una corda. Ai vigili del fuoco è stato chiesto di contare il numero di volte in cui due diverse luci colorate lampeggiavano all'interno dei visori. Le luci lampeggianti erano state aggiunte per creare ulteriore stress. I vigili del fuoco erano comunque in grado di seguire le istruzioni del primo vigile del fuoco.

Il progetto ha gettato le fondamenta di promettenti ricerche che associano tecnologie all'avanguardia e tecniche di sciame pionieristiche. I robot progettati da Guardians possono inoltre avvertire i vigili del fuoco della presenza di sostanze chimiche tossiche nell'aria. Questi nuovi sistemi potrebbero inoltre essere usati in altre situazioni di disastro. Gli algoritmi sviluppati da Guardians fanno in modo che i robot possano seguire un vigile del fuoco senza che vi sia alcuna comunicazione tra i due. È questa caratteristica di autonomia, insieme alla loro capacità di trasferire informazioni al vigile del fuoco nei visori appositamente ideati, che rende il progetto Guardians particolare.

"Abbiamo fatto una dimostrazione finale presso il South Yorkshire Fire and Rescue," dice Penders. "E anche loro hanno confermato che l'uso di robot potrebbe essere di aiuto specialmente in situazioni ad alto rischio".

Il progetto Guardians ha ricevuto finanziamenti nell'ambito del tema "Tecnologie dell'informazione e della comunicazione" del Sesto programma quadro dell'UE.

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