Remote Labs – Laboratori Virtuali e Laboratori a Controllo Remoto

Introduzione

La pandemia di COVID ha cambiato il modo in cui ci comportiamo e la nostra stessa vita quotidiana: ha influenzato notevolmente anche i processi produttivi e di business, quelli di management, l’organizzazione del lavoro, i servizi, gli approcci all’insegnamento e all’apprendimento e le stesse modalità di organizzazione e svolgimento delle attività di ricerca. L’approccio tradizionale del “faccia a faccia” (face-to-face) è stato rimpiazzato da un contesto operativo online o misto. Questo si è verificato anche in molte università e centri di ricerca (pubblici e privati) perché, in particolare durante il periodo di lockdown, si è dovuto fare i conti con l’interruzione parziale o totale delle attività. Di conseguenza, un numero crescente di università e centri di ricerca ha adottato delle misure ritenute necessarie per trasformare in primo luogo la propria didattica, anche di laboratorio, e lo svolgimento di meeting e workshop in una modalità principalmente online o mista. Indipendentemente dalle misure adottate, è stato necessario individuare delle procedure e delle modalità organizzative/operative tali da mantenere standard didattici e di ricerca adeguati avendo di fronte alcuni problemi concreti molto complessi da risolvere come quello dell’accesso limitato o impossibilitato ai laboratori. In pratica l’esperienza della pandemia ha rappresentato uno stimolo sostanziale per ragionare sulla possibilità di progettare e implementare soluzioni operative e gestionali basate su sistemi robusti per lavorare in remoto autonomamente per più giorni, effettuando migliaia di delicate manipolazioni con un basso tasso di fallimento per ogni attività. Tutto questo non solo in previsione di ulteriori difficoltà all’accesso ai laboratori a causa di potenziali futuri lockdown (cosa che ovviamente nessuno auspica). Si tratta infatti anche di immaginare soluzioni innovative capaci di trasformare profondamente un laboratorio tradizionale per aumentare l’efficienza e la sicurezza delle attività svolte e dilatare le possibilità applicative e incrementare la produttività scientifica. Insomma qualcosa di simile a quanto già avvenuto nella logistica e nel warehouse management: il cosiddetto automation Amazon effect.

Automation Amazon Effect

La notevole dilatazione dell’e-commerce, in particolare durante il periodo più acuto della pandemia, ha portato alla crescita di nuovi e innovativi modelli di business anche perché la pandemia stessa ha spinto verso una maggiore digitalizzazione delle attività e verso una maggiore alfabetizzazione nei confronti di attività online da parte di molti utenti che altrimenti non si sarebbero avvicinati tanto facilmente a questo universo. Di conseguenza nell’e-commerce è stato necessario investire massicciamente nella robotica e nelle tecnologie basate sull’automazione. In sostanza l’immensa crescita del business online ha costretto ad adottare tecnologie estremamente avanzate in primo luogo per la gestione del magazzino per risolvere le sfide del monitoraggio in tempo reale e per il sistema di consegna nel modo più efficace e rapido grazie al ricorso alle tecnologie IT, ai robot industriali e ai behavioral-based robot.

Amazon è stata un’azienda pionieristica nell’innovazione dei processi gestionali e organizzativi grazie alle tecnologie digitali e robotiche. Amazon è stata infatti la prima a utilizzare i robot chiamati Kiva Systems; nel 2012, Amazon acquistò la Kiva Systems e ribattezzò l’azienda Amazon Robotics.

L’automazione dei processi sulla base dell’effetto Amazon dimostra come la gestione pratica di un magazzino, con le sue operazioni ripetute e routinarie, svolga un ruolo critico perché qualsiasi problema in questo settore può generare errori, inefficienze, ritardi, ecc… che si possono riverberare su tutta la filiera: in sostanza implica attività che molto difficilmente possono essere bloccate, rallentate o sospese se non con il rischio di inceppare l’intero processo.

Allo stesso modo IT, automazione e robotica possono trovare la stessa prospettiva di applicazione nella gestione e funzionamento di molte attività di laboratorio. Durante la pandemia e durante il periodo di distanziamento sociale infatti i robot hanno guadagnato un nuovo potenziale nel mantenimento del lavoro di laboratorio.

Laboratori virtuali, laboratori con controllo remoto e laboratori basati su video sono stati ampiamente impiegati soprattutto nella didattica per permettere agli studenti di continuare a svolgere attività sperimentali quando non avevano la possibilità di essere presenti fisicamente nelle università o nei centri di ricerca. I laboratori virtuali (virtual labs) vengono utilizzati come strumenti di simulazione e per la realtà virtuale. I laboratori a distanza (remote labs) consentono di svolgere esperimenti attraverso Internet, mentre i laboratori basati su video (video-based labs) forniscono una panoramica passo passo di un laboratorio reale in modo che gli studenti possano visualizzare l’intero processo sperimentale e il suo ambiente attraverso un video.

I Remotely Controlled Labs

I remotely controlled labs (RCL) in particolare costituiscono un campo operativo di grande interesse perché possono essere impiegati per attività che vanno ben oltre la didattica. Il concetto di laboratorio remoto si fonda sul principio secondo il quale un utente viene posto in grado, tramite un computer collocato in una posizione distante, di allestire, svolgere e controllare a distanza un esperimento o un’analisi in un luogo specifico (laboratorio). In realtà non si tratta certamente di un principio del tutto nuovo: basti pensare ai sistemi di controllo dei telescopi spaziali e delle sonde spaziali. In tempi recenti l’applicazione della tele-manipolazione via Internet o il controllo via World Wide Web degli esperimenti di laboratorio si è sviluppata in modo crescente, con un’accelerazione particolarmente rilevante nel corso di questi ultimi due anni. Nei remotely controlled laboratory (RCL), molto schematicamente, l’utente deve essere in grado di effettuare e seguire le reali fasi della sperimentazione e le variazioni dei parametri via web cam, raccogliendo i relativi dati di misurazione online (fig. 1).

Fig. 1: Remotely Controlled Lab

Un ulteriore aspetto di grande interesse è l’impiego per la manipolazione controllata in remoto di dispositivi forniti dall’ingegneria dell’automazione e dalla robotica. In sostanza questo significa realizzare una digitalizzazione dei processi manuali affiancata all’automazione fisica che include tutti i tipi di tecnologie di meccanizzazione o macchine utilizzate per l’automazione. Le tecnologie di automazione fisica consistono in robot di varie tipologie e in questa sede si possono citare due tipologie principali:

  • robot mobili
  • veicoli a guida automatizzata

We are the robots

Una prima sottoclasse di robot mobili sono i bracci robot articolati. I bracci robotici ormai sono una tecnologia molto comune e vengono utilizzati soprattutto quando è necessaria un’elevata movimentazione di oggetti (anche molto pesanti), lo svolgimento di compiti ripetitivi o lo svolgimento di attività che interessano l’uso di sostanze pericolose o in ambienti “difficili”. Questi bracci autonomi seguono dei movimenti di localizzazione predeterminati e dispongono di controller e sensori integrati attraverso i quali – in base a criteri come velocità, posizione, direzione e distanza – è possibile controllare il loro operato. Questi sensori consentono ai bracci robotici di essere per l’appunto sensibili e quindi interagire con il loro ambiente operativo. In caso di situazioni complesse come ad esempio quando la posizione dell’oggetto non è predeterminata, l’elaborazione del sensore dei bracci robotici collabora con l’intelligenza artificiale e la visione artificiale per identificare la posizione dell’oggetto e controllare ulteriormente il movimento del braccio.

Una seconda interessante categoria di robot mobili è costituita dai robot mobili autonomi. Si tratta di robot che rappresentano la versione più tecnologicamente avanzata dei “veicoli a guida automatizzata – automated guided vehicles (AGV)”. Sono dispositivi molto sofisticati ed efficienti perché sono molto veloci, intelligenti e facili da configurare. Possono funzionare senza alcuna infrastruttura di supporto e localizzare oggetti con grande precisione senza il ricorso a bersagli laser o fili o magneti impiantati nel pavimento. Hanno capacità di mapping e capacità di evitare ostacoli con un’interfaccia uomo-robot. Sono costituiti da potenti sensori laser basati sulla tecnologia di intelligenza artificiale (AI), dispongono di sofisticati sistemi di telecamere collegate all’hardware del computer che consentono loro di funzionare e muoversi in modo dinamico utilizzando una mappa comprendendo l’ambiente circostante. Non sono limitati a percorsi fissi; piuttosto, possono pianificare e riprogrammare i loro spostamenti e viaggiare più velocemente. La tecnologia AI fa diventare questi robot dei dispositivi realmente intelligenti che possono identificare e agire-reagire-interagire con altre macchine, delicate apparecchiature, attrezzature, e con le persone lavorando in sicurezza nel loro ambiente operativo. Questi robot hanno persino capacità avanzate come seguire una persona specifica ovunque vada. Questi nuovi sistemi si prestano ad un gran numero di applicazioni e potranno essere impiegati in futuro in un gran numero di operazioni e attività anche molto complesse e delicate.

Conclusioni

La situazione della pandemia di COVID19 ha generato un cambiamento in diversi campi ed in molte occasioni si tratta di fare tesoro delle esperienze maturate in modo tale da trasformare la reazione a situazioni di emergenza in opportunità di sviluppo e apertura di nuove potenzialità. Esempi importanti vengono dalla formazione o dal business: la migrazione online o il ricorso ad approcci misti hanno aperto un ventaglio di possibilità che prima avremmo fatto molta fatica ad immaginare. Tutto questo, che ci piaccia o no, sta creando un nuovo contesto dove siamo chiamati a vivere e a lavorare e le modalità e gli strumenti con cui interagiamo all’interno di questo nuovo contesto sono ancora in fase di assestamento e definizione. Queste modifiche hanno un impatto continuo su tutti i tipi di processi online e offline. In questo scenario lo sviluppo di laboratori virtuali e laboratori a controllo remoto gioca un ruolo non secondario perché si aprono continuamente nuove possibilità, modalità e opportunità per fare didattica e ricerca in modo sempre più avanzato e sofisticato. E’ ovvio che operare a distanza in un laboratorio può inibire “l’esposizione pratica” agli strumenti e ai processi sperimentali cosa che rappresenta una fonte indubbiamente preziosa di apprendimento e di sviluppo di abilità pratiche sperimentali che si possono alimentare solo con una reale immersione in un ambiente di laboratorio.

I virtual lab e i remotely controlled lab non devono pertanto essere considerati come dei sostituiti tout court delle tradizionali strutture di laboratorio. Esperienze pratiche come familiarizzazione delle apparecchiature devono essere acquisite attraverso veri e propri esperimenti di laboratorio.

Tuttavia in questa estremamente sintetica discussione quello che si vuole evidenziare è che la digitalizzazione e l’automazione per la gestione e svolgimento di molte attività di laboratorio possono contribuire notevolmente ad aumentare l’efficienza e la produttività della ricerca. Per questo motivo oggi i laboratori online si stanno continuamente diffondendo come dimostrano molte esperienze maturate in questi anni e le relative applicazioni. La possibilità di interagire in remoto con i dispositivi su reti di computer si lega alle modalità con le quali è possibile standardizzare il rapporto tra tutte le componenti (software, hardware e ambienti operativi) al fine di facilitare la progettazione e implementazione online delle attività di laboratorio. Proprio a seguito delle problematiche emerse con la pandemia è stato possibile far decollare su larga scala la sperimentazione a distanza in cui è possibile visualizzare e lavorare all’interno di laboratori remoti. In tal modo il laboratorio ed il suo computer di controllo creano un ambiente unitario all’interno del quale l’utente connettendosi può accedere ad un sistema articolato di risorse. Un contributo critico allo sviluppo dei remotely controlled labs è poi fornito dalla rapida evoluzione dei sistemi di automazione che avrà un impatto sempre maggiore nel modo in cui lavoriamo. Non bisogna certamente dimenticare che si tratta di apparecchiature ancora molto costose e che richiedono il coinvolgimento di personale qualificato ma questo sviluppo e la rapida integrazione dei sistemi di automazione con sofisticati sistemi di AI consentiranno lo sviluppo nel futuro di reti di laboratori connessi fra loro per la collaborazione in tempo reale fra team di ricerca in aree geografiche lontane.

 

Articolo a cura di Carmelo Cannarella e Valeria Piccioni

 

Profilo Autore
Carmelo Cannarella

Tecnologo del CNR-ISB - Istituto per i Sistemi Biologici. Si occupa di trasferimento tecnologico, divulgazione, facilitazione, disseminazione e movimentazione di innovazione e conoscenza con particolare riguardo ai processi di sviluppo locale.

Profilo Autore
Valeria Piccioni

Tecnologo del CNR-ISB - Istituto per i Sistemi Biologici. Si occupa di trasferimento tecnologico, divulgazione, facilitazione, disseminazione con particolare riguardo ai rapporti fra ricerca e impresa.

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