I robot per l'archeologia subacquea - Tecnologie per i beni culturali

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I robot per l'archeologia subacquea


Intervista a Sergio Taraglio, Fiorello Cavallini, Vincenzo Nanni

La sezione di Robotica dell’ENEA è nata in ambito nucleare per realizzare sistemi che consentissero la manipolazione di materiale radioattivo. Da tempo l’interesse si è spostato sulla robotica mobile autonoma, sia di superficie che sottomarina. I prototipi messi a punto sono stati utilizzati con successo fin dalle prime campagne in Antartide, proprio per consentire la continuità delle rilevazioni anche nei mesi di assenza delle équipe scientifiche. Ma ora siamo a sviluppi ulteriori: i robot sono molto più sofisticati anche nell’elaborazione delle informazioni che ricevono dall’ambiente circostante. Sergio Taraglio spiega che ad oggi siamo ancora molto lontani dagli androidi dei racconti di Asimov “I, Robot” o dei film della saga di “Star Wars”. Rimanendo con i piedi per terra si può definire robot: un dispositivo, usualmente elettromeccanico, disegnato per eseguire un compito che risulta essere particolarmente gravoso in termini di fatica, rischio o tedio per gli esseri umani. La robotica disegna e realizza strumenti che lavorano in ambienti dotati di tre livelli di strutturazione: ambiente totalmente strutturato come la catena di montaggio in cui le posizioni, le velocità e la tempistica di tutti gli oggetti sono noti con buona precisione; ambiente meno strutturato come quello domestico, es. robot aspirapolvere; ambiente non strutturato, se non addirittura sconosciuto, come quello di Marte, studiato con i rover planetari. 

Perché usare i robot in archeologia?
Qualcuno ha definito la Robotica come la connessione intelligente tra percezione ed azione. In altre parole un robot è un dispositivo che a fronte di informazioni provenienti dall’esterno è in grado di elaborare delle strategie e porle in atto per portare a termine un compito assegnatogli. La robotica autonoma è una soluzione praticabile per quei problemi che implicano la necessità di intervenire in ambienti non adatti agli esseri umani o quando sia, ad esempio, necessaria una affidabilità nella ripetitività di un determinato compito. 
La vera sfida ora è sui robot per l’archeologia subacquea. Già nel 1943 con l’invenzione dell’autorespiratore ad opera di J.Y. Costeau e E. Gagnan  sono cominciati i primi esperimenti in acqua. Il fondo marino non è un ambiente naturale per l’essere umano e quindi la ricerca archeologica sottomarina è sicuramente più complessa di quella in superficie, ed è qui che entra in gioco la  robotica.  Abbiamo la fortuna di vivere sulle sponde dell’area mediterranea che custodisce preziosi resti delle civiltà del passato, da quella fenicia, alla licia, minoica, greca, etrusca, romana, tanto per citarne alcune, e quindi siamo particolarmente sollecitati. 

La ricerca nel campo della robotica subacquea è una novità per voi?
No, assolutamente. In ambito sottomarino molta esperienza è stata accumulata con diverse tecnologie:  MELBA e BOMA, boe intelligenti per oceanografia; SARA, un sottomarino autonomo di grandi dimensioni per la ricerca in Antartide; MEDUSA, MEDiterranean Unmanned vehicle for Submerged Archaeology, un sommergibile con la duplice capacità di autonomia e, all’occorrenza, con la possibilità di essere comandato manualmente per la ricognizione di siti sottomarini di interesse archeologico; TESSA, TEsta Stereoscopica SubAcquea, un dispositivo subacqueo brevettato per l'acquisizione e la registrazione di stereogrammi ad elevata risoluzione utile alla misura metrica di reperti subacquei.
Un robot sottomarino può essere classificato in due grandi famiglie: i ROV, Remotely Operated Vehicle, e gli AUV, Autonomous Underwater Vehicle. I primi sono dei veicoli guidati da un operatore umano tramite un cavo ombelicale, mentre i secondi sono dei sommergibili autonomi  dotati della necessaria intelligenza a bordo per poter navigare in sicurezza. Il nostro interesse è attualmente concentrato sugli AUV, anche se nel mondo ne esistono già, ma che sono tipicamente prodotti militari o di derivazione militare, impiegati perlopiù per scopi di ricerca oceanografica, misurazione di fondali o per applicazioni più squisitamente militari di bonifica di mine, sistemi di sicurezza o mezzi di attacco.

Quali sono le difficoltà nella realizzazione di un AUV?
Il mare, in particolare, e l’acqua, in generale, sono brutte frequentazioni. Appena si scende a 10 metri di profondità la pressione già raddoppia rispetto alla superficie, questo implica che la costruzione meccanica deve essere particolarmente curata e con materiali via via più costosi all’aumentare della profondità di esercizio. Allo stesso tempo se si vuole comunicare con un sottomarino, le onde radio sono inutilizzabili, in acqua salata fanno pochissima strada, è necessario usare dunque i “ping” del sonar e le onde acustiche. Ma il particolare più vincolante per un sommergibile è rappresentato dall’energia: per operare l’elettronica di navigazione, gli strumenti, far girare i motori e gli attuatori (es. pinne e timoni) serve energia elettrica, ovvero batterie. Il peso e le dimensioni delle batterie rappresentano il vincolo più severo per un veicolo di questo genere, anche perché un motore elettrico assorbe molta potenza.

Qual è l’idea del progetto attualmente alla vostra attenzione?
L’idea attuale prevede la progettazione e la realizzazione di un sottomarino autonomo leggero, di piccole dimensioni e a basso costo, pensato per applicazioni di esplorazione del fondale marino. Ciò implica l’installazione a bordo di telecamere e sonar per l’esplorazione, oltre a strumenti necessari alla navigazione (accelerometri, bussola, eventualmente GPS) e per la comunicazione (ancora sonar, radio). Il punto scientificamente più stimolante, e che rende il progetto particolarmente di frontiera, è la realizzazione di un gruppo di sottomarini cooperanti verso lo stesso fine: quello di esplorare il fondale alla ricerca di relitti e reperti archeologici. Si vuole mutuare dalla natura l’idea di gruppo di individui che lavora come una unità che, in virtù della sua natura di gruppo, presenta comportamenti collettivi. Si pensi alle colonie di insetti, agli stormi di uccelli, ai branchi di erbivori e, paragone più calzante, ai banchi di pesci. La realizzazione di un “banco di sottomarini” cooperanti permette di utilizzare individui singolarmente dotati di limitate capacità ma che, in virtù dell’appartenenza ad un gruppo, riescono a realizzare comportamenti intelligenti e coordinati. Al posto di un ricercatore archeologo sottomarino vogliamo sostituire un team di ricerca robotizzato. Abbiamo già compiuto passi importanti: la progettazione del singolo individuo (il sottomarino) è quasi terminata ed è in corso di realizzazione un simulatore software per poter mettere alla prova le diverse strategie di controllo e coordinamento del “banco”. Nel nostro laboratorio abbiamo allestito una piccola piscina e abbiamo acquisito un limitato numero di mini sommergibili commerciali radio comandati per passare dalle simulazioni software ad una realtà in scala ridotta, per approfondire lo studio del controllo del “banco”.

Quanti sottomarini saranno usati? Come?
Al momento stiamo pensando a numeri intorno ai 10 individui. Lo scenario di riferimento è quello dove si utilizza una piccola pilotina che porti i ricercatori e lo “swarm” di sottomarini sul luogo da esplorare. Una volta sul posto si varano i sottomarini uno dei quali viene deputato alle comunicazioni con la barca appoggio e alla georeferenziazione GPS. I ricercatori tramite un laptop impostano le caratteristiche della rotta da seguire che viene distribuita ai vari individui che poi si dividono e si auto organizzano la missione, mantenendo la formazione e acquisendo i dati video, sonar e quant’altro reputato opportuno. Si pensi, ad esempio, a 9 sottomarini più il decimo di comunicazione in formazione lineare con distanze dell’ordine dei 50 metri, sarebbe possibile esplorare strisce di mezzo chilometro di ampiezza per distanze di diverse miglia.

Quali altre applicazioni si possono ipotizzare?
Lo swarm sottomarino ha notevoli potenzialità anche in altri campi. Si pensi al sempre attuale problema della sicurezza e sorveglianza di siti sensibili, tra questi i porti. Uno swarm di questo tipo potrebbe controllare e riportare eventuali anomalie dovute ad intrusioni sia subacquee che di superficie. Naturalmente in questo caso l’aspetto di navigazione sarebbe molto più limitato, ma, ad esempio, le comunicazioni sonar tra i sottomarini porterebbero alla realizzazione di una rete internet subacquea, altro argomento di ricerca attualmente molto interessante e promettente. Sempre in ambito sicurezza si può pensare ad un uso combinato di swarm subacqueo di perlustrazione e mezzo aereo sempre autonomo che dialoghino tra loro e con una base a terra.
Altra applicazione da non sottovalutare è quella del monitoraggio delle acque; sarebbe possibile campionare a diverse profondità realizzando così campagne più complete ed affidabili in tempi più ristretti.
Un’ultima idea applicativa è rappresentata dal cosiddetto museo remotizzato. Un ambiente archeologico subacqueo è poco fruibile da un vasto pubblico ed è pensabile l’uso di un mezzo dotato di apparecchiature da ripresa (magari stereoscopiche) che possa rinviare le immagini subacquee ad un museo remoto. Il vantaggio rispetto ad un filmato o ad un museo virtuale è rappresentato dalla possibilità di governare il mezzo subacqueo in tempo reale, evitando la ripetitività dei contenuti e garantendone un appeal di immagini in diretta.

Operativamente, con che fondi portate avanti le attività?
Da ormai più di 10 anni i ricercatori dell’ENEA non si affidano al contributo ordinario dello Stato per realizzare le loro ricerche; ogni progetto viene vagliato dal mercato della ricerca, ovvero è sottomesso per il finanziamento a organizzazioni sovranazionali o nazionali come la UE con le azioni dei Programmi Quadro oppure i ministeri con varie iniziative quali i FIRB, i PRIN ecc., oppure ancora su finanziamento da parte di partner privati interessati a operazioni di trasferimento tecnologico. In particolare questo progetto di swarm subacqueo per applicazioni archeologiche è stato sottomesso come pre-progetto alla Filas a valle dell’audizione del novembre scorso, voluta da Regione Lazio e Filas per ottimizzare gli interventi attuativi del Distretto tecnologico per i Beni e le Attività Culturali del Lazio - DTC. Al progetto è stato dato un nome che evoca atmosfere magiche e marine: SIMBAD-L, Sistema Integrato Marino per i Beni Archeologici del Distretto Laziale.

 

Esempio di reperti in condizioni operative: anfora e tegola facente parte del carico di una nave commerciale turca del XI secolo affondata a largo di Favignana (Egadi) a 72m di profondità

Esempio di reperto in condizioni operative: anfora facente parte del carico di una nave commerciale turca del XI secolo affondata a largo di Favignana (Egadi) a 99m di profondità

La piscina per i test con un mini sommergibile in prova. Sullo sfondo SARA (Sottomarino Autonomo per Ricerche in Antartide). Può scendere ad una profondità di 1.200 metri

 

TESSA (TEsta Stereoscopica SubAcquea), brevetto ENEA

Da sinistra: V. Nanni, S. Taraglio, F. Cavallini con i mini sommergibili di prova ed il sottomarino antartico SARA nello sfondo

 

 

 

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