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Un sensore è un dispositivo che riceve delle informazioni mediante un
segnale in ingresso, espresso in una data grandezza fisica e lo
trasmette in uscita, espresso in una grandezza fisica diversa, più
adatta a successive elaborazioni. I sensori si dividono
fondamentalmente in due categorie: attivi e passivi. I primi
richiedono potenza dall'esterno per fornire la misura in uscita e
solitamente hanno un sistema di amplificazione a valle del sensore; i
secondi invece non richiedono potenza esterna e forniscono un segnale
immediatamente utilizzabile. Vi sono diverse categorie di sensori e
diverse classificazioni sono possibili: in base al principio fisico,
alla grandezza da misurare o al settore di destinazione. Una
categoria di interesse su cui si sono concentrate diverse equipe di
scienziati, è quella dei sensori che cercano di emulare i sensi
dell'uomo, per determinare le proprietà fisico-chimiche di alcune
sostanze: i sensori chimici.
EMULAZIONE DEI SENSI UMANI:
Un progetto di ricerca che si è occupato di questi problemi, è quello
guidato dal prof. Andrew Russel della Monash University in Australia.
Lo scopo del progetto è stato quello di progettare e costruire un
manipolatore fornito di sensori tattili che potesse riconoscere un
oggetto e determinarne le proprietà termiche. La mano del robot è
stata dotata di una superficie in gomma, cedevole al contatto con
l'oggetto da manipolare, in modo da adattarsi anche alle superfici non
piane e fornire un attrito necessario per tenere fisso l'oggetto. La
mano del robot è stata progettata con due dita a 6 gradi di libertà
ciascuna (3 di rotazione e 3 di traslazione). Un sensore di forza e
di torsione determina l'azione da imprimere sulla superficie
dell'oggetto manipolato e una matrice quadrata di 64 sensori tattili
determina la natura e le caratteristiche dell'oggetto in esame. Le
applicazioni di questo robot riguardano soprattutto la manipolazione
di precisione e il controllo di qualità, in cui spesso è necessario un
intervento umano per interagire con oggetti delicati e fragili e per
ottenere informazioni da esso (come ad esempio determinarne la
temperatura).
Un altro robot progettato dal prof. Andrew Russel è basato invece sul
riconoscimento di un oggetto a partire da informazioni olfattive. Per
ideare questo robot si è partiti dalla considerazione che certe
categorie di animali, come ad esempio gli insetti, marcano il loro
territorio con tracce di sostanze chimiche riconoscibili dai propri
simili che ripercorrono lo stesso tragitto. Questo meccanismo è stato
usato per costruire un robot miniaturizzato equipaggiato con un
sensore che riconoscesse le tracce di un odore prestabilito lasciate
sul terreno. L'applicazione di questo prototipo vuole essere quella
di eseguire dei compiti di riconoscimento dell'odore di una certa
sostanza, che solitamente vengono assegnati a segugi e cani da fiuto
come per esempio la localizzazione di sostanze stupefacenti o fughe di
gas e il ritrovamento di mine e bombe inesplose o di superstiti di
calamità naturali.
Questo genere di studi, iniziato già nel 1995 è ancora in pieno
sviluppo a causa della difficoltà nel riconoscimento di determinati
odori dovuta sia alla elevata precisione dei sensori richiesta, sia
alla necessità di eseguire gli esperimenti in ambienti strutturati e
densi di ostacoli. Per questo motivo i robot progettati per questi
compiti sono equipaggiati con un sensore che eviti le collisioni
frontali e con un sonar per la misurarazione della distanza, oltre che
con un sensore chimico e un rilevatore degli spostamenti d'aria.
Un altro robot mobile adatto ad eseguire questi compiti è ARTHUR, un
robot progettato alla University of Tuebingen dotato di un sensore
sensibile ai gas. Scopo di ARTHUR è quello di rilevare una sorgente
emanante un certo odore non solo in condizioni ottimali, ma in
ambienti complessi e con ostacoli. Per questo esperimento, si è dato
più peso al rilevamento della sostanza gassosa che al riconoscimento
preciso della sostanza stessa; infatti i disturbi dovuti alla mobilità
della piattaforma su cui è inserito il sensore, rende difficile il
riconoscimento preciso dell'elemento in esame. Ciononostante, avere
un robot mobile dà la possibilità di localizzare la sorgente di gas,
cosa impossibile per un sensore immobile. Il flusso d'aria
nell'ambiente in esame deve essere sufficientemente basso in modo da
non perturbare la misura e quindi la localizzazione della sorgente.
Questo robot è equipaggiato con 17 sensori Polaroid ed un ricevitore
GPS a 12 canali, ha 4 ruote motrici ed ogni ruota può, all'occorrenza,
essere comandata in modo autonomo, al fine di rendere particolarmente
semplice il movimento in spazi stretti; nel robot è inserito un
sistema biprocessore Pentium II a 333 MHz e si possono inviare comandi
da una postazione remota basata su GNU/Linux e collegata con un
sistema Ethernet wireless.
I sensori chimici trovano una loro applicazione anche nei robot
umanoidi; questi robot, infatti, non sono dotati solamente di
dispositivi per applicazioni ad hoc, ma coinvolgono diverse categorie
di sensori (visivi, tattili, chimici e uditivi) per ottenere un buon
modello del mondo che li circonda. Un robot di questo tipo è WE-3RV,
ideato da Hiroyasu Miwa, Atsuo Takanishi e Hideaki Takanobu ed è
progettato per interagire con l'essere umano e per percepire i
cambiamenti nell'ambiente circostante. Per questo motivo è dotato di
due telecamere digitali montate negli occhi, di due microfoni per
percepire i suoni, di sensori cutanei e olfattivi per analizzare se
nell'aria sono presenti alcuni tipi di sostanze; al momento attuale
WE-3RV è in grado di riconoscere tre odori diversi: ammoniaca, alcool
e fumo di sigaretta. Le informazioni provenienti dai sensori vengono
assemblate e rielaborate da due pc collegati al robot mediante un
sistema Ethernet; il robot, a partire dalle informazioni sensoriali,
può modificare l'espressione facciale e interagire con un eventuale
interlocutore.
ROBOT E DISPOSITIVI DI PRECISIONE: il caso del naso elettronico
Se ciò che conta in un esperimento, è la precisa rilevazione della
composizione chimica di un gas disperso in un certo ambiente, si ha
bisogno di sensori chimici molto sofisticati e sensibili. Anche in
questo caso l'ispirazione per il progetto è stato l'essere umano ed in
particolare il suo apparato olfattivo. La NASA e il California
Institute of Technology hanno messo a punto un sensore denominato
ENose (Electronic Nose), un naso artificiale in grado di identificare
determinati componenti presenti nell'aria. La necessità di misurare
la composizione dell'aria è particolarmente importante in ambienti
chiusi quali lo Space Shuttle o la International Space Station. Il
primo test dell' ENose è stato infatti effettuato nel 1999 a bordo
dello Space Shuttle con l'astronauta John Glenn, per testare la
qualità dell'aria durante il volo. L'utilizzo di ENose però non si
limita ad applicazioni aerospaziali; infatti è possibile impiegarlo in
tutte quelle applicazioni in cui si devono esaminare componenti
volatili e rilevare odori di certe sostanze come nei controlli di
qualità, nell'analisi del cibo (aroma del caffè) e negli ambienti
industriali per evitare la presenza di sostanze tossiche nell'aria.
Il naso artificiale contiene un gran numero di sensori, i quali non
sono specifici per una determinata sostanza ma rispondono a
cambiamenti nella composizione dell'aria. I sensori di ENose sono
fatti da 16 strati di polimeri. Ogni strato è addizionato con
particelle di carbonio che lo rendono elettricamente conduttivo. I
polimeri si dilatano e si restringono a seconda del cambiamento della
composizione dell'aria esaminata; queste alterazioni negli strati
polimerici si traducono in un cambiamento nella resistenza elettrica
dello strato stesso. ENose misura i cambiamenti resistivi e determina
la natura della sostanza in esame. La portabilità dell'applicazione è
ottenuta grazie alla generalità dei sensori utilizzati nella
realizzazione del dispositivo. Il riconoscimento infatti si basa su
esempi rilevati in laboratorio che vengono confrontati con la miscela
di gas che si vuole classificare. La rilevanza del progetto ENose è
dovuta al fatto che sia in grado di riconoscere una quantità di gas,
minore di una soglia detta SMAC (Spacecraft Maximum Allowable
Concentration), misurata in parti per milione e fissata dai
tossicologi della NASA, per garantire la qualità dell'aria nelle
missioni spaziali.
La NASA e il California Institute of Technology non sono stati gli
unici enti ad occuparsi della progettazione di un dispositivo
olfattivo di precisione. Il prof. David Walt della Tufts University e
il suo staff hanno messo a punto un altro tipo di naso elettronico ma
adatto alle medesime applicazioni. Inserti fluorescenti sono stati
incorporati in strati polimerici di diversa natura fisica e chimica,
in modo da formare un unico strato di sensori. Questi reagiscono al
contatto con il gas mediante variazioni luminose e inviando dei
segnali ad un sistema basato su reti neurali mediante dei sensori
ottici ed una camera digitale. Il sistema è in grado di classificare
correttamente 40 diverse sostanze tra cui complesse miscele. Il prof.
Walt afferma che applicazioni commerciali basate su questo prototipo
di naso elettronico saranno possibili tra 4/5 anni.
Anche in questo caso il corretto riconoscimento della sostanza in
esame è ottenuto grazie ad una serie di esempi con cui è stato
allenato il sistema di reti neurali per i riconoscimenti successivi.
CONCLUSIONI: l'importanza dei dati.
In questo tipo di dispositivi, il periodo di classificazione di
sostanze semplici e note a priori è fondamentale per formare una
solida base di conoscenza atta a riconoscere correttamente i nuovi
casi in esame, sia che venga ottenuta con sistemi intelligenti come le
reti neurali o gli algoritmi di decisione che con un sistema di basi
di dati. Oltre a ciò è stato fondamentale progettare sensori
innovativi in grado di tradurre informazioni visive e reazioni
chimiche in informazioni oggettive comprensibili da un elaboratore per
poterle immagazzinare e riutilizzare successivamente per nuove
classificazioni.