Non più fantascienza: macchine umane – Cosa i robot umanoidi possono fare meglio di qualsiasi altra macchina

Non solo intelligenza artificiale: il grande problema che sta ancora rallentando il trionfo dei robot umanoidi

A lungo considerati fantascienza, ora stanno entrando nei reparti produttivi del mondo reale: sta sorgendo una nuova era dell'automazione, guidata da robot umanoidi che non operano più come macchine specializzate in aree protette, ma come assistenti versatili al nostro fianco. Questo cambio di paradigma è reso possibile dalla convergenza di due megatrend: i progressi rivoluzionari nell'intelligenza artificiale, che consentono ai robot di apprendere attraverso l'osservazione, e la tecnologia altamente sofisticata di sensori e attuatori, che conferisce loro movimenti simili a quelli umani.

Mentre giganti dell'automotive come BMW e Mercedes-Benz, così come aziende di logistica globali, stanno già lanciando i primi progetti pilota per automatizzare compiti monotoni e fisicamente impegnativi, la strada verso l'adozione di massa è ancora irta di ostacoli considerevoli. La durata limitata delle batterie, problemi di sicurezza irrisolti e costi di acquisizione ancora elevati stanno rallentando la diffusione su larga scala. Ciononostante, le previsioni sono gigantesche e una corsa globale tra Stati Uniti e Cina per la supremazia tecnologica è già in pieno svolgimento. Siamo all'inizio di una rivoluzione che avrà un impatto duraturo sul nostro mondo del lavoro e sulla società, o si tratta solo di un'esagerazione con problemi iniziali irrisolti? Questa panoramica fa luce sullo stato attuale dell'arte, sulle sfide più grandi e sulle visioni di vasta portata alla base della nuova era della robotica.

Adatto a:

• Un'analisi di mercato e una panoramica dei robot umanoidi con un carico utile di 10 kg o più, per opzioni di acquisto e noleggio

La nuova era dei robot: perché le macchine umanoidi potrebbero plasmare il futuro dell'automazione

Siamo sull'orlo di un cambio di paradigma nella robotica? Mentre i robot industriali tradizionali hanno svolto per decenni il ruolo di cavalli da tiro specializzati in aree di produzione ristrette, una nuova generazione di robot umanoidi si sta facendo strada nella forza lavoro umana. La domanda non è più se queste macchine arriveranno, ma quanto velocemente prevarranno e quale ruolo svolgeranno nel nostro futuro.

Cosa rende i robot umanoidi così speciali?

Cosa distingue un robot umanoide da un robot industriale convenzionale? La risposta sta nella sua filosofia progettuale fondamentale. Un robot umanoide ha una struttura corporea simile a quella umana, con due braccia, due gambe e una parte superiore del corpo mobile. Questa configurazione apre possibilità completamente nuove, consentendo alle macchine di operare in ambienti originariamente progettati per gli esseri umani.

Il vantaggio principale risiede nella loro adattabilità universale. Mentre i robot tradizionali sono progettati specificamente per compiti specifici e spesso richiedono ampie modifiche all'ambiente di lavoro, i robot umanoidi possono teoricamente essere impiegati ovunque lavorino gli esseri umani. Utilizzano le stesse porte, scale e superfici di lavoro e azionano gli stessi strumenti e macchinari.

Quali progressi tecnologici consentiranno questa svolta?

Come hanno fatto decenni di ricerca a trasformarsi improvvisamente in una tecnologia pronta per il mercato? La risposta sta nella convergenza di diversi sviluppi tecnologici. Da un lato, i progressi negli attuatori elettromeccanici e i significativi miglioramenti nella tecnologia dei sensori hanno creato le basi hardware. I moderni robot umanoidi sono dotati di sofisticati sistemi di telecamere, sensori lidar, microfoni e sensori di forza-coppia. I sensori tattili consentono loro di rilevare se sono a contatto con oggetti o persone.

D'altro canto, l'intelligenza artificiale è diventata il fattore abilitante più importante per i robot umanoidi. Le innovazioni in questo campo sono state conseguite più rapidamente di quanto persino gli esperti si aspettassero. I modelli di intelligenza artificiale generativa stanno rivoluzionando le possibilità di interazione con i robot e potrebbero essere la chiave per fornire ai robot modelli del mondo che possano utilizzare per orientarsi nel loro ambiente.

In che modo i modelli comportamentali di grandi dimensioni rivoluzionano il controllo dei robot?

Cosa succede quando i robot non vengono più programmati, ma addestrati? Boston Dynamics sta dimostrando un approccio completamente nuovo con il suo robot Atlas: i Large Behavior Models (LBM). Questi modelli consentono al robot di apprendere compiti complessi attraverso l'osservazione, anziché essere programmati nel dettaglio per ogni movimento.

La tecnologia funziona in modo simile ai modelli linguistici: Atlas può apprendere sia semplici compiti di pick-and-place sia manipolazioni più complesse come legare una corda, girare uno sgabello da bar o stendere una tovaglia. Ciò che è particolarmente notevole è che questi compiti sarebbero estremamente difficili da implementare utilizzando le tecniche di programmazione robotica tradizionali, poiché implicano geometrie deformabili e sequenze di manipolazione complesse.

Dove lavorano già oggi i robot umanoidi?

Quali aziende stanno già utilizzando i robot umanoidi nella pratica? L'elenco delle applicazioni commerciali è ancora gestibile, ma certamente impressionante. Agility Robotics ha assunto un ruolo pionieristico con il suo robot Digit. L'azienda ha firmato un contratto pluriennale con il fornitore di servizi logistici GXO a metà del 2024. I robot Digit sono utilizzati in un'azienda tessile, dove rimuovono le casse dai rack di trasporto e le posizionano sui nastri trasportatori.

Da circa un anno, BMW testa robot umanoidi dell'azienda californiana Figure presso il suo stabilimento di Spartanburg, in California. I robot Figure 02 prelevano componenti in lamiera da un rack di trasporto e li posizionano in un'attrezzatura. Anche Mercedes-Benz sta testando robot umanoidi dell'azienda texana Apptronik presso il suo Digital Factory Campus di Berlino e negli stabilimenti di produzione. I robot Apollo svolgono ancora compiti relativamente semplici: trasportare componenti o moduli alla linea di produzione o eseguire i controlli di qualità iniziali.

Perché proprio le case automobilistiche sono dei pionieri?

Cosa rende l'industria automobilistica un banco di prova ideale per i robot umanoidi? Il settore si trova ad affrontare diverse sfide che i robot umanoidi possono affrontare. In primo luogo, c'è una grave carenza di manodopera qualificata, soprattutto in settori fisicamente impegnativi. In secondo luogo, i moderni metodi di produzione richiedono una maggiore flessibilità che i robot tradizionali, installati in modo permanente, non possono offrire.

I robot umanoidi offrono un vantaggio decisivo in questo caso: possono essere integrati nelle linee di produzione esistenti senza dover apportare modifiche sostanziali. Questo è particolarmente utile nelle aree industriali dismesse, dove è necessario automatizzare gli impianti esistenti. La loro forma simile a quella umana consente ai robot di utilizzare gli stessi strumenti e postazioni di lavoro dei lavoratori umani.

Quali sfide ne limitano l'utilizzo?

Perché i robot umanoidi non sono ancora ampiamente utilizzati? Gli ostacoli maggiori risiedono in diverse aree critiche. Le prestazioni della batteria rappresentano una sfida fondamentale. Gli attuali robot umanoidi hanno una durata della batteria di sole 2-4 ore. Per un utilizzo pratico, è necessario un miglioramento ad almeno 4-5 ore con ricarica rapida entro un'ora.

Il problema risiede nell'intensità energetica del movimento in posizione eretta. Stare in piedi e camminare stabilmente in posizione eretta richiede un'enorme potenza di calcolo, che a sua volta consuma una quantità di energia altrettanto elevata. Camminare su due gambe è meno efficiente che rotolare. Un robot umanoide del peso di circa 80 kg e con un volume corporeo di 80 litri ha uno spazio limitato per le batterie, considerando arti, motori, componenti elettronici e strutturali.

Quanto è complessa la costruzione meccanica?

Cosa rende la progettazione delle articolazioni umanoidi così complessa? Un essere umano ha 140 articolazioni reali, e con le cosiddette "false" articolazioni come i dischi intervertebrali, il numero sale a 212. Un robot umanoide, d'altra parte, deve accontentarsi di circa 48-68 articolazioni. Questa riduzione porta a compromessi nella mobilità e spiega perché anche i robot più avanzati appaiono ancora "rigidi nei fianchi".

I requisiti per la tecnologia delle articolazioni sono estremi. I robot umanoidi richiedono design estremamente compatti che integrino motori, ingranaggi, azionamenti, encoder e sensori in un unico modulo. Allo stesso tempo, devono offrire peso ridotto, basso consumo energetico, bassa generazione di calore e un'elevata velocità di risposta. A seconda della loro posizione nel corpo, i requisiti variano considerevolmente: le articolazioni delle gambe devono sopportare carichi elevati e generare coppie elevate, mentre le articolazioni del braccio e del polso devono essere ottimizzate per garantire precisione e compattezza.

Quali sono i rischi per la sicurezza?

Perché la sicurezza è il principale ostacolo all'impiego su larga scala dei robot umanoidi? A differenza dei robot industriali tradizionali, che operano in spazi chiusi, i robot umanoidi sono progettati per lavorare a diretto contatto con gli esseri umani. Questo crea sfide di sicurezza completamente nuove.

Un problema critico è il controllo dell'equilibrio. Quando un robot si muove su due gambe, un sistema di controllo affidabile deve garantire l'equilibrio. Se il sistema di controllo si guasta, il robot potrebbe cadere e ferire le persone nelle vicinanze. I robot umanoidi sono spesso grandi, pesanti e potenti. Senza adeguate precauzioni di sicurezza, potrebbero ferire inavvertitamente le persone a causa di collisioni, schiacciamenti o cadute.

A complicare ulteriormente la situazione c'è il fatto che non esistono ancora standard di sicurezza definiti per i robot mobili industriali dinamicamente stabili. Sebbene l'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) abbia istituito un comitato per lo sviluppo di norme di sicurezza, gli standard sono ancora in fase di sviluppo.

Quando i robot umanoidi diventeranno economicamente sostenibili?

A quale costo i robot umanoidi diventeranno un'alternativa commercialmente interessante? I prezzi stanno scendendo drasticamente più velocemente del previsto. Attualmente, la maggior parte dei robot umanoidi costa tra i 200.000 e i 250.000 dollari. Jörg Burzer, membro del Consiglio di Amministrazione di Mercedes-Benz responsabile della Produzione, ha dichiarato: "I costi saranno cruciali... se raggiungeranno cifre a due cifre per migliaia di dollari – il che è assolutamente possibile – la situazione si farà molto interessante".

Previsioni ottimistiche prevedono costi significativamente inferiori. La società di consulenza tedesca Nexery prevede un prezzo medio di vendita di 55.000 dollari entro il 2030. Morgan Stanley prevede che entro il 2050 il prezzo medio di vendita di un robot umanoide scenderà a 50.000 dollari, quasi l'equivalente del costo di un anno di lavoro umano nei paesi ad alto reddito.

L'analisi dei costi diventa particolarmente interessante se si considera il tempo di funzionamento totale. Se un robot lavora due turni da 8 ore al giorno, un robot dal prezzo di 16.000 dollari costa effettivamente meno di 2,75 dollari all'ora, al netto degli ammortamenti, su un periodo di tre anni.

Quanto potrebbe diventare grande il mercato?

Quali dimensioni economiche potrebbe raggiungere la robotica umanoide? Le previsioni variano notevolmente, ma tutte indicano un enorme potenziale di crescita. Morgan Stanley stima che il mercato dei robot umanoidi potrebbe raggiungere un volume di 5 trilioni di dollari entro il 2050, includendo le relative catene di fornitura e i servizi di riparazione, manutenzione e supporto. Entro il 2050, potrebbero essere in uso oltre 1 miliardo di robot umanoidi.

La previsione più ambiziosa proviene dal CEO di Tesla, Elon Musk, che prevede che entro il 2040 ci saranno dieci miliardi di robot umanoidi nel mondo, più dei 9,2 miliardi di persone che, secondo le previsioni delle Nazioni Unite, vivranno sulla Terra nel 2040. All'inizio del 2024, Goldman Sachs prevedeva un volume di mercato di 28 miliardi di dollari entro il 2035, sei volte superiore a una stima precedente.

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Quali paesi sono all'avanguardia nello sviluppo?

Dove si trovano i centri di innovazione della robotica umanoide? Gli osservatori di mercato vedono Stati Uniti e Cina chiaramente all'avanguardia. La Federazione Internazionale di Robotica elenca 46 aziende in tutto il mondo che hanno sviluppato robot umanoidi dotati di gambe: otto in Nord America, 21 in Cina e sei in Giappone e Corea.

In Cina, il governo ha definito anni fa obiettivi chiari per lo sviluppo in questo campo e fornisce un sostegno sostanziale al settore. Negli Stati Uniti, ingenti somme di capitale di rischio stanno confluendo nelle startup di robotica. C'è anche un forte interesse per il loro utilizzo a fini militari e di sicurezza, che ha portato a finanziamenti significativi da parte della DARPA e del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.

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Quale ruolo gioca la Germania nella robotica umanoide?

La Germania può ancora recuperare terreno nella robotica umanoide? L'unico operatore tedesco ad aver raggiunto un ruolo di rilievo in questo campo è Neura Robotics, con sede a Metzingen, vicino a Stoccarda. Fondata nel 2019, l'azienda non si concentra principalmente sui robot umanoidi, ma piuttosto sui "robot cognitivi". Dei cinque robot del suo programma, solo uno è umanoide.

Il Centro tedesco di ricerca per l'intelligenza artificiale (DFKI) sta lavorando intensamente al futuro della robotica umanoide. Il dipartimento di ricerca Systems AI for Robot Learning (SAIROL) sviluppa algoritmi di controllo basati sull'apprendimento per robot umanoidi. Il Centro di innovazione robotica del DFKI di Brema sta studiando metodi innovativi per un controllo robot sicuro e autoapprendente.

Quali sono i principali ambiti di applicazione?

In quali settori saranno utilizzati per primi i robot umanoidi? Le prime applicazioni commerciali si concentreranno sulla logistica e sulla produzione, dove le attività sono ripetitive e strutturate. Oltre il 90% dei robot umanoidi previsti per il 2050 sarà utilizzato per scopi industriali e commerciali, mentre meno del 10% sarà utilizzato in ambito domestico.

Nel settore manifatturiero, i robot umanoidi possono svolgere un'ampia gamma di compiti: controllo delle macchine, caricamento delle linee di produzione, trasporto di pezzi tra postazioni di lavoro, lavori di assemblaggio, carico e scarico delle macchine, saldatura, avvitatura, lucidatura e molatura, incollaggio e distribuzione, ispezione e controllo qualità e lavori di verniciatura.

Come cambia il modo di lavorare da deterministico ad autonomo?

Cosa significa il passaggio di paradigma dalla robotica deterministica a quella autonoma? Mentre i movimenti dei robot tradizionali sono programmati nei minimi dettagli, i robot umanoidi sono progettati per percepire e analizzare l'ambiente circostante e, almeno entro certi limiti, prendere decisioni autonome sulle proprie azioni.

Questa trasformazione non si limita ai robot umanoidi, ma può essere applicata anche a robot fissi o su ruote. L'intelligenza artificiale è inizialmente indipendente dal design e può essere utilizzata in diverse "incarnazioni". Tuttavia, i robot umanoidi offrono vantaggi unici grazie alla loro versatilità e adattabilità agli ambienti umani.

Quali sono i concetti alternativi?

Due gambe sono sempre la soluzione migliore? Molti sviluppatori e utenti si chiedono se un robot a due gambe sia davvero la soluzione ottimale o se uno a quattro zampe potrebbe essere più adatto. I robot a quattro zampe sono già in uso produttivo: il cane robot "Spot" di Boston Dynamics gira da tempo per gli stabilimenti Audi e BMW, scansionando le attrezzature e creando gemelli digitali di fabbrica.

Apptronik ha progettato il suo robot Apollo in modo modulare. A seconda dell'applicazione, il cliente può scegliere di montare il torso su una base mobile con ruote o su una base fissa. Questa flessibilità dimostra che non tutte le applicazioni richiedono un robot completamente umanoide.

Quali settori saranno trasformati per primi?

Dove si percepirà più rapidamente la trasformazione portata dai robot umanoidi? Il settore della logistica è in prima linea. GXO Logistics, uno dei maggiori fornitori di servizi logistici a contratto al mondo, vede i robot umanoidi come una potenziale soluzione alla continua carenza di manodopera e alla domanda di automazione adattiva. I robot svolgono compiti ripetitivi e fisicamente impegnativi, liberando i lavoratori umani e consentendo loro di concentrarsi su attività più sicure e creative.

Nella produzione automobilistica, BMW, Mercedes-Benz e altri produttori stanno dimostrando come i robot umanoidi possano essere integrati nelle iniziative iFactory esistenti. Questa strategia di produzione digitale mira ad aumentare l'efficienza, la sostenibilità e la flessibilità nella produzione.

Quali sono gli impatti sociali a lungo termine?

In che modo i robot umanoidi cambieranno il mondo del lavoro? Sebbene l'automazione potrebbe potenzialmente sostituire 85 milioni di posti di lavoro entro il 2025, creerà contemporaneamente 97 milioni di nuovi ruoli, molti dei quali legati alla gestione e alla manutenzione dei robot. Nel settore manifatturiero, 2,1 milioni di posti di lavoro potrebbero rimanere vacanti entro il 2030, con la manutenzione e la programmazione dei robot tra le competenze più richieste.

I robot umanoidi stanno trasformando i lavori anziché semplicemente eliminarli. Stanno prendendo in carico compiti tipicamente pericolosi, ripetitivi e fisicamente impegnativi, spostando i lavoratori umani verso posizioni di maggior valore come la programmazione dei robot, la manutenzione, l'ottimizzazione dei processi e il controllo qualità.

Quali questioni etiche sorgono?

Quali considerazioni sociali ed etiche devono essere prese in considerazione? Una domanda chiave riguarda ciò che le società intendono "consentire" alla tecnologia di fare e quale quadro di riferimento stabiliscono per essa. L'integrazione dei robot umanoidi richiede un'attenta valutazione della sicurezza del lavoro e dell'accettazione della forza lavoro.

L'uso in ambito domestico e nell'assistenza agli anziani è particolarmente delicato. Considerazioni sulla sicurezza garantiranno che i robot umanoidi vengano impiegati in questi ambiti solo nelle fasi finali di sviluppo. Un esperto ha affermato: "Finché non si riuscirà a dimostrare che un robot umanoide non cadrà mai addosso a un neonato, non funzionerà nemmeno in ambito domestico".

Come si sta sviluppando la capacità produttiva?

Quando i robot umanoidi saranno disponibili in quantità maggiori? I primi produttori stanno già finalizzando i piani per la produzione in serie. Figure ha annunciato l'intenzione di realizzare un impianto di produzione di robot umanoidi in cui verranno prodotti robot umanoidi. All'inizio della produzione in serie, la capacità sarà di 12.000 robot all'anno.

Apptronik ha stretto una partnership con Jabil, produttore a contratto con sede in Florida, che ora produrrà i robot Apollo in tutto il mondo. Tesla sta pianificando obiettivi di produzione ambiziosi: i piani interni per circa 10.000 unità Optimus saranno realizzati nel 2024, mentre la versione di produzione 2, con una capacità di 10.000 unità al mese, sarà lanciata nel 2025.

Cosa determina il successo o il fallimento?

Quali fattori determineranno l'adozione diffusa dei robot umanoidi? Il successo dipenderà dalla capacità di affrontare diverse sfide critiche. Dal punto di vista tecnico, è necessario progredire in termini di robustezza, resilienza, approvvigionamento energetico, controllo motorio e intelligenza artificiale. Dal punto di vista economico, i costi devono continuare a scendere e i volumi di produzione devono aumentare per realizzare economie di scala.

Gli standard normativi di sicurezza e i quadri giuridici saranno cruciali. È necessario creare un'accettazione sociale delle nuove tecnologie. Gran parte dello sviluppo avviene all'interno delle aziende tecnologiche, con investimenti enormi che superano di gran lunga quelli pubblici. Ciò comporta una mancanza di trasparenza e rende difficile una valutazione realistica dei progressi effettivi.

In che cosa gli umanoidi differiscono dai tradizionali robot industriali?

Cosa differenzia strutturalmente i robot umanoidi dalle soluzioni di automazione convenzionali? I robot industriali tradizionali sono ottimizzati per compiti specifici e operano con un numero significativamente inferiore di articolazioni, il che li rende più facili da controllare, più veloci e più affidabili. Continueranno quindi a essere la spina dorsale dell'automazione per le attività di produzione che richiedono alta velocità e precisione.

I robot umanoidi, d'altra parte, sono generalisti. Il loro punto di forza non risiede nella velocità o nella precisione nei singoli compiti, ma nella versatilità e nell'adattabilità. In teoria, possono svolgere qualsiasi compito che un essere umano possa svolgere, anche se più lentamente o con minore precisione. Questa flessibilità li rende particolarmente preziosi in ambienti dinamici in cui i requisiti cambiano frequentemente.

Quali sono le innovazioni tecnologiche ancora in sospeso?

Quali innovazioni potrebbero portare alla svolta definitiva? Le batterie allo stato solido promettono una maggiore densità energetica, maggiore sicurezza e una maggiore durata rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio. Questa tecnologia potrebbe risolvere il problema della densità energetica e consentire ai robot umanoidi di operare per periodi più lunghi.

Nella tecnologia degli attuatori, si stanno sviluppando nuovi concetti di giunto, come l'Archimedes Drive, che promette coppie elevate con un design compatto e un funzionamento silenzioso. I progressi nella scienza dei materiali potrebbero consentire la realizzazione di componenti più leggeri e resistenti.

Quanto sono realistiche le previsioni ottimistiche?

Le previsioni da mille miliardi di dollari sono realistiche o esagerate? Gli esperti sono divisi. Da un lato, le sfide tecniche che vanno oltre le demo tecnologiche sono ancora considerevoli. Dall'altro, gli sviluppi stanno accelerando in modo esponenziale, trainati da enormi investimenti privati ​​e dalla concorrenza tra i giganti della tecnologia.

Non si prevede una più ampia applicazione industriale prima dei prossimi cinque-dieci anni. Sono necessari volumi di produzione più elevati per ridurre i costi. Si prevede che l'introduzione dei robot umanoidi sarà relativamente lenta fino alla metà degli anni '30, per poi accelerare tra la fine degli anni '30 e gli anni '40.

Cosa significa questo per il futuro del lavoro?

Come evolverà l'interazione uomo-robot? Il futuro non risiede nella sostituzione dei lavoratori umani con i robot, ma nella cooperazione intelligente. I robot umanoidi integreranno le competenze umane, non le sostituiranno. Si occuperanno di compiti fisicamente impegnativi, ripetitivi o pericolosi, mentre gli umani potranno concentrarsi su attività creative, strategiche e interpersonali.

Questo sviluppo richiede ingenti investimenti in riqualificazione e formazione continua. Le aziende che implementano robot umanoidi segnalano un aumento medio del 35% dei costi di formazione dei dipendenti. Stanno emergendo nuovi profili professionali: formatori e supervisori di robot, specialisti della manutenzione, progettisti di processo e risolutori creativi di problemi.

La robotica umanoide è a un punto di svolta. Sebbene le basi tecniche siano state gettate e le prime implementazioni commerciali dimostrino le potenzialità, restano ancora sfide significative. Il successo dipenderà dalla capacità del settore di trovare un equilibrio tra innovazione tecnica, fattibilità commerciale, certezza normativa e accettazione sociale. I prossimi cinque-dieci anni saranno cruciali per stabilire se i robot umanoidi conquisteranno davvero gli spazi umani o se rimarranno per il momento una tecnologia di nicchia.

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