Robotica e intelligenza artificiale, un futuro car

Scuola navale militare

“F. Morosini”

A.S. 2007/2008

“Robotica e Intelligenza Artificiale, un futuro carico di incertezze”

Allievo III Corso Matr. 602

Giovanni Pecoraro

V Liceo Scientifico Sez. B

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A tutti coloro

che hanno dedicato la propria vita alla scienza

nella speranza di creare un futuro migliore per l’umanità

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“A questo modo noi possiamo definire e stabilire che cosa significa la parola ragione quando la consideriamo fra le facoltà dello spirito. Poiché ragione in questo senso significa nient'altro che calcolo, cioè addizione e sottrazione, delle conseguenze dei nomi generali usati per convenzione come annotazioni e come espressioni dei nostri pensieri; io li chiamo annotazioni quando il detto calcolo noi lo facciamo mentalmente, li chiamo espressioni quando noi dimostriamo e proviamo i nostri calcoli mentali agli altri uomini.”

(Thomas Hobbes, Leviatano, I, cap. V)

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Premessa

Nel realizzare questo elaborato in vista del mio esame di maturità ho tentato di infondere nelle poche righe la mia innata passione per la scienza. Da tempo ho sviluppato l’idea che qualsiasi fenomeno legato alla natura sia riconducibile ad un insieme di leggi fisico-matematiche.

Ricordando le parole del filosofo inglese Thomas Hobbes affermo con estrema convinzione che allo stesso modo ogni processo che coinvolge la ragione umana è razionalizzabile in una specifica equazione. Persino un sentimento astratto come l’amore, la vera essenza dell’irrazionalità, può essere ricondotto ad una formula fisica basato su un linguaggio matematico a tal punto sopraffino e complicato da essere incomprensibile all’uomo moderno. Noi siamo ancora troppo legati ai classici modelli matematici, che risalgono ai tempi delle civiltà mesopotamiche. Per quanto possiamo svilupparli, questi rappresentano pur sempre un limite.

Magari un giorno un novello Gauss, privato di ogni insegnamento scolastico, riuscirà autonomamente a sviluppare fin da bambino una nuova e più libera matematica, che ci permetterà di risolvere dilemmi che attualmente sembrano insolubili.

Attraverso una prima parte esclusivamente teorica ed una seconda applicativa ho provato a riassumere quelli che sono stati gli enormi, ma purtroppo ancora limitati, sviluppi della Robotica e dell’Intelligenza Artificiale nell’ultimo secolo. Sono queste le scienze del futuro, quelle su cui è opportuno investire tempo e denaro, tenendo sempre sott’occhio il lato perverso della mente umana, una realtà così meravigliosa, ma allo stesso tempo capace di trasformare la bellezza innata della scienza in uno strumento di morte e distruzione. Giovanni Pecoraro

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Sommario

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1. Che cos’è la Robotica? 8

1.1 La Robotica come scienza del futuro 8

1.2 Cosa sono i Robot? 10

1.3 Breve storia dei Robot 11

2. Intelligenza artificiale 14

2.1 Definizione 14

2.2 Brevi cenni storici 15

2.3 Fondamenti teorici dell’IA 16

2.3.1 Il concetto di simbolo 17

2.3.2 Il calcolo come manipolazione di simboli 19

2.4 La macchina e il test di Turing 21

2.5 I primi programmi 25

2.6 L’analisi del linguaggio naturale 29

2.6.1 Le grammatiche di Chomsky e l’analisi automatica del linguaggio naturale 29

2.6.2 Il problema del significato 31

2.6.3 I micromondi e SHRDLU 33

2.6.4 Le reti semantiche 35

2.6.5 I frame di Minsky 38

2.6.6 Gli script di Schank ed Abelson 40

2.7 Problem Solving 42

2.8 I sistemi esperti 45

2.8.1 Creazione di un sistema esperto 47

2.9 Le reti neurali 50

2.9.1 Limiti nello sviluppo di algoritmi 50

2.9.2 Il cervello umano 50

2.9.3 Le reti neurali artificiali 51

2.9.4 Caratteristiche di una rete neurale 52

2.9.5 Neuroni artificiali 53

2.9.5.1 Reti di Hopfield 58

2.9.5.2 Reti feed-forward multistrato 59

2.9.5.3 Reti ricorrenti 61

2.9.5.4 Reti competitive 62

2.9.5.5 Apprendimento 63

2.9.5.5.1 Apprendimento supervisionato 63

2.9.5.5.2 Apprendimento non supervisionato 66

2.10 Algoritmi genetici 67

2.10.1 Introduzione 67

2.10.2 Principi basilari 68

3. Studio del PICAXE Micro-Robot Line Follower 71

3.1 Struttura di base 72

3.2 Elementi di cinematica 74

3.3 Diagramma del circuito 77

3.4 Funzionamento dei motori elettrici 78

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3.5 Sensori 81

3.6 Microcontrollore PICAXE 82

3.7 Programmazione del Micro-Robot

Robot 84

4. Il futuro della Robotica 88

4.1 Robotica biomedicale 88

4.2 Robotica marina 88

4.3 Robotica militare 89

4.4 Robotica spaziale 90

4.5 Robotica Industriale 91

5. APPENDICE: Genetic Algorithms 94

5.1 Basic principles 94

5.2 Representation of a problem 96

5.3 Complete

te process of a genetic algorithm 96

5.4 Fitness function 96

5.5 Proportional selection 97

5.6 Crossover 98

6. Contenuto del CD 99

BIBLIOGRAFIA 99

SITOGRAFIA 101

Robotica e Intelligenza

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Robotica e Intelligenza Artificiale, un futuro carico di incertezze

1. Che cos’è la Robotica?

La Robotica è la scienza che si occupa dello sviluppo di macchine, definite robot, in grado di eseguire compiti specifici e di interagire con l’ambiente esterno. Essa nasce dai sogni più antichi e profondi dell’uomo, di creare la macchina più complessa esistente, ovvero di realizzare un organismo artificiale e autonomo dotato di un’intelligenza artificiale.

La Robotica si basa su studi interdisciplinari articolati tra:

• Meccanica
• Elettronica
• Controlli automatici
• Informatica
• Sensoristica
• Motoristica
• Scienze dei materiali
• Intelligenza Artificiale

Unita da forti legami con:

• Fisica/Matematica
• Logica/Linguistica
• Neuroscienze/Psicologia
• Biologia/Fisiologia
• Antropologia/Filosofia
• Arte/Design Industriale

1.1 La Robotica come scienza del futuro

La volontà dell’uomo di incrementare la propria potenza ha cambiato continuamente il suo modo di porsi nei confronti della scienza, orientandolo verso attività legate allo sviluppo economico e al superamento dei suoi limiti nell’affrontare situazioni in ambienti particolarmente ostili o addirittura inaccessibili. Questo fattore, unito ai continui progressi compiuti nei campi dell’informatica e delle telecomunicazioni ha contribuito a determinare una nuova visione della Robotica e Intelligenza Artificiale, un futuro carico di incertezze 8 realtà, sempre più legata alla realizzazione di macchine intelligenti. La stessa esplorazione dell’Universo sarebbe impossibile senza una proficua collaborazione tra una componente biologica ed una robotica, ma è solo l’inizio. L’infinita varietà di campi in cui sarebbe possibile attuarla con successo è ben più estesa e contribuisce a rendere la scienza dei robot il vero settore su cui puntare per il futuro. Analizzando gli ingenti investimenti compiuti dai Paesi industrializzati nelle attività di ricerca, si può comprendere che il mercato, in particolare quello asiatico, grazie all’opera del Giappone, si sta preparando ad accogliere questi esemplari della più alta tecnologia moderna.

Le principali motivazioni dell’utilizzo dei robot sono:

• Eliminazione dei lavori faticosi e rischiosi per l’uomo
• Aumento della produttività e riduzione dei costi
• Miglioramento della qualità dei prodotti
• Ottimizzazione dei processi produttivi Tabella 1. Vendite del mercato internazionale della Robotica

Robotica e Intelligenza Artificiale, un futuro carico di incertezze 9

1.2 Cosa sono i Robot?

Il termine “ROBOT” deriva dalla parola ceca “robota” (lavoro pesante), il suo primo utilizzo lo si deve Karel Čapek che nel 1920 lo utilizzò per la prima volta nella sua opera teatrale “I robot universali di Rossum”. In verità il vero ideatore del termine era stato il fratello Josef, che lo aveva adoperato la parola automat (automa) in un suo racconto intitolato “Opilec” (“L’ubriacone”, 1917).

Senza alcun dubbio il concetto espresso in quel periodo era molto differente da quello inteso nella società contemporanea.

L’Enciclopedia Britannica fornisce questa definizione:

"A robot device is an instrumented mechanism used in science or industry to take the place of a human being. It may or may not physically resemble a human or perform its tasks in a human way, and the line separating robot devices from merely automated machinery is not always easy to define. In general, the more sophisticated and individualized the machine, the more likely it is to be classed as a robot device."

Ovvero: “Un robot è uno strumento utilizzato nella scienza e nell’industria per prendere il posto di un essere umano. Esso potrebbe, oppure no, assomigliare ad un essere umano e svolgere i suoi compiti come un uomo; la linea che separa i robot da una macchina puramente automatizzata non è sempre facile da definire. In generale, la più sofisticata e specifica macchina più simile a ciò deve essere classificata come un robot.”

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1.3 Breve storia dei Robot

Dal punto di vista storico lo sviluppo di sistemi automatizzati risale ai tempi antichi, infatti già tra il 400-350 a.C. il greco Archita di Taranto costruì un piccione messo in moto da un getto di vapore. Intorno al 100 d.C. Erone di Alessandria progettò macchine azionate da acqua e pesi in caduta e circa quattrocento anni dopo i Bizantini eressero un immensa statua di Ercole che racchiudeva un innovativo orologio idraulico. Occorse aspettare il ‘200 per vedere la nascita dei primi esemplari seppur rudimentali di androidi: Roger Bacon creò una testa parlante, quasi contemporaneamente al uomo di ferro di Albertus Magnus. Una svolta significativa, che diede all’uomo l’opportunità di realizzare i primi dispositivi automatizzati, si ebbe verso la fine del XVII secolo con l’invenzione della macchina a vapore da parte di James Watt. Il successo fu immediato, soprattutto in campo industriale: non era più necessaria la presenza di corsi d’acqua o di vento per produrre lavoro meccanico, infatti la semplice espansione di vapore acqueo surriscaldato azionava uno stantuffo che produceva la potenza necessaria. Nei primi anni del Novecento invece l’introduzione dell’uso dei derivati del petrolio contribuì allo sviluppo di nuove tipologie di macchine automatiche, dotate del cosiddetto motore a scoppio, in quanto l’energia derivava da reazioni esplosive.

La nascita della robotica in questo secolo a partire dagli anni ’40; i robot inizialmente destinati solo ad un uso industriale, con lo sviluppo graduale di teorie per il controllo del movimento e l’incremento dei gradi di libertà acquisiscono una sempre maggiore complessità fino alla costruzione dei cosiddetti bracci manipolatori che hanno invaso il settore produttivo mondiale. A partire dagli anni ’70 il Giappone, pur essendo partito in ritardo, crea un enorme mercato interno basato sui robot, influendo in maniera decisiva sullo sviluppo del settore a livello mondiale. È proprio in questi anni che inizia a svilupparsi in parallelo il campo dell’informatica, in particolare con i sistemi operativi e le reti per la gestione dell’automazione: l’immediata conseguenza è lo sviluppo di nuove modalità di produzione come il CIM (Computer Integrated Manufacturing). Il CIM rappresenta il modello della fabbrica automatizzata, basata su una fitta rete di comunicazione sia in verticale che in orizzontale, creando una struttura piramidale con al vertice la centrale informatica e alla base gli attuatori.

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Schema 1. Industria basata sul sistema CIM

I vantaggi di questa tipologia di organizzazione sono:

• Diminuzione del tempo necessario alla commercializzazione del prodotto (Time to market)
• Diminuzione delle scorte di prodotto
• Diminuzione considerevole dei costi grazie ad un aumento dell’efficienza
• Aumento della qualità del prodotto mediante una più accurata pianificazione

Accanto agli studi destinati al potenziamento delle macchine industriali, a partire da uno storico convegno del 1956, i ricercatori iniziano a porsi l’obiettivo di creare una struttura basata su hardware e software “in grado di fornire prestazioni di pertinenza esclusiva dell’intelligenza umana” (Marco Somalvico, Emula e non simula, in “Aspettando Robot”, [3])., gli esperti iniziano a parlare di Intelligenza Artificiale (IA). Le ricerche sono compiute essenzialmente a livello informatico, tentando di portare ai massimi livelli le funzionalità di un calcolatore, in modo da renderlo autonomo e molto più flessibile, sempre più vicino al cervello umano. Lo sviluppo di particolari logiche computazionali è inizialmente limitato a risolvere problemi più generici quali una più celere risposta ai sensori o una diagnostica automatica, per poi giungere fino agli anni ’90 con lo studio dell’intelligenza di organizzazione e delle capacità di apprendimento.

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Sostanzialmente lo sviluppo della Robotica mondiale è andato di pari passo con il progresso dell’Information Technology (informatica) e dell’AI, infatti l’evolversi del sistema di programmazione del software ha influito notevolmente sui metodi di lavoro degli elaboratori, ancorati per lunghi anni a linguaggi di basso livello. Analogamente il continuo superamento dei limiti posti dalle CPU ha contribuito a fornire agli sviluppatori un continuo miglioramento delle prestazioni tra cui il potenziamento delle capacità di calcolo e dell’interoperabilità tra terminali attraverso connessioni di rete sempre più avanzate. Nel 1965 il professore Gordon Moore notò la notevole rapidità con cui aumentavano le prestazioni dei microprocessori e formulò una legge indicante che “la densità dei transistori sui circuiti integrati sarebbe raddoppiata ogni due anni”, alla fine degli anni ’80 è stata riformulata in base ai nuovi sviluppi, il tempo di raddoppiamento scese a 18 mesi. Figura 1. Legge di Moore

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Seguendo tale legge un calcolatore potente quanto un cervello umano dovrebbe essere

2020

disponibile intorno al al costo di circa 1500€.

2. Intelligenza artificiale

2.1 Definizione

È l’insieme di tutti gli studi e le ricerche che hanno lo scopo di realizzare macchine in grado di comportarsi come esseri umani, ovvero di essere dotati di un’intelligenza che consenta loro di compiere operazioni con un certo grado di complessità.

L’IA corrisponde ad un programma che non si comporta diversamente da una persona, infatti, dato un “mondo” in cui vive, in ogni istante riceve informazioni da questo e lo influenza con le informazioni elaborate. Supponendo che i dati scambiati siano sempre in numero finito, si può

di Church)

affermare che esse corrispondano ad una quantità espressa da n bytes. (Tesi Si possono introdurre due funzioni e tra le quali la prima ha come argomenti la condizione del mondo e l’influenza che la nostra applicazione ha su di esso ad un dato istante. Il risultato di tale funzione è un valore che corrisponde ad una nuova condizione del mondo nell’istante successivo, mentre la seconda funzione fornisce al sistema la visione di questa.

, s , s , s ,…, s ), il programma

Durante la sua vita il mondo attraversa una lunga serie di stati(s 0 1 2 3 n

, d , d , d ,…, d ,

elabora un certo numero di informazioni(d ) e ne riceve altrettante dal mondo(v

0 1 2 3 n 0

v , v , v ,…, v s =Mondo(s , d ) v =Vista (s ).

): e L’elemento mancante di questo programma è ciò significato di vita,

che probabilmente lo accomuna maggiormente all’uomo: il in particolare il concetto di piacere e dolore, che può essere implementato inserendo la capacità di valutare

v v

quanto un vettore sia migliore di un , quale sia una vittoria e quale una sconfitta.