Dalla terraferma alle profondità marine: l’evoluzione al contrario della robotica subacquea

Immaginate un tipico rover autonomo terrestre. Quei robot a quattro ruote, a volte un po’ goffi, che si muovono liberamente su terreni aperti o strade per osservare o trasportare carichi. È, senza dubbio, il dominatore del suo ambiente: la terraferma.

Ha il GPS che gli fa da faro costante, dicendogli ogni secondo “sei qui”, telecamere 4K e LiDAR che gli dipingono il mondo in nuvole di punti 3D perfette, perché l’aria è (quasi sempre) trasparente. Ha il 4G per un filo diretto con il mondo se ha bisogno di aiuto o di aggiornamenti. Un genio, nel suo ambiente.

Ora, prendete questo campione di tecnologia terrestre e lanciatelo nel mezzo del Mediterraneo.

Risultato? Panico. O meglio, un costosissimo ammasso di silicio e alluminio che affonda, mentre la sua centralina cerca disperatamente un segnale Wi-Fi.

L’ambiente subacqueo non è solo “un po’ bagnato”. È un altro pianeta, buio, denso (circa 800 volte più dell’aria), ha una pressione che schiaccia e, soprattutto, odia le onde radio. È un firewall naturale per la nostra tecnologia.

Per sopravvivere (e lavorare) là sotto, la robotica ha dovuto fare un percorso inverso rispetto all’evoluzione animale: così come l’evoluzione dalla profondità degli abissi ci ha condotti all’esplorazione della terra e dell’aria, i robot dovranno fare un percorso inverso. Una “de-evoluzione” che in realtà è una iper-specializzazione pazzesca per adattarsi alle difficili sfide che lo attendono negli abissi.

È come pretendere che una Ferrari da Formula 1, un capolavoro da asfalto, possa vincere l’America’s Cup. Stessa eccellenza ingegneristica, ma fisica e regole del gioco completamente diverse.

Analizziamo allora questo “campione” degli abissi, l’AUV (Autonomous Underwater Vehicle), e vediamo come i suoi “sensi” (i sensori) e i suoi “muscoli” (gli attuatori) siano radicalmente diversi da quelli del suo cugino terrestre.

“Ok, dove diavolo sono?” (Il Blackout Totale del GPS)

Il primo dramma di un AUV è che non ha idea di dove sia. Le onde radio del GPS muoiono dopo pochi centimetri d’acqua. È in radio-lockdown totale.

• Il Rover Terrestre (Il Privilegiato): Alza la “testa” (l’antenna) e il GPS gli dice “sei qui”. Gratis. Per sapere di quanto si è mosso, si affida all’odometria (il “contachilometri” delle sue ruote) e a una IMU MEMS (Inertial Measurement Unit) da pochi euro, la stessa del vostro smartphone. Certo, da soli “sbandano” (il drift delle ruote che slittano o quello dell’IMU per vibrazioni e temperatura), ma non è un problema: il GPS li rimette tutti in riga all’istante, fornendo un riferimento assoluto. Un semplice filtro di Kalman per “fondere” (smussare) e migliorare il tutto… ed il gioco è fatto! Vita facile.
• L’AUV (L’Esploratore Solitario): Deve navigare “alla cieca”. Deve affidarsi puramente alla Navigazione Inerziale (INS). In pratica, stima dove si trova integrando nel tempo le accelerazioni e le rotazioni che misura. È l’arte di dire: “Sono partito da qui, ho sentito un’accelerazione X per 10 secondi, quindi dovrei essere lì”.

Il problema è che questo “dovrei” è un castello di carte. L’integrazione è un processo che accumula errori.

Se l’IMU usata è una MEMS, i suoi minuscoli errori di misura (il bias) vengono sommati e amplificati a ogni calcolo. L’errore sulla posizione cresce in modo quadratico (o peggio!) col tempo. Risultato? Dopo qualche oretta di missione, il sistema è talmente alla deriva che l’AUV è convinto di puntare dritto a Positano per l’aperitivo al tramonto. Peccato che, in realtà, stia navigando al largo delle coste della Sardegna. Bellissima, per carità, ma decisamente non era quello il piano di missione.

Per questo, l’AUV monta l’artiglieria pesante: la IMU FOG (Fibre Optic Gyros). Questa è la “soluzione Rolex”. Non ha parti mobili, usa la luce e il famoso effetto Sagnac per misurare la rotazione con una stabilità pazzesca. Cosa compri pagandola come un’utilitaria? Stabilità. La capacità di ridurre il drift da “chilometri all’ora” (con la MEMS) a “metri all’ora”.

Ma anche i metri si accumulano! L’INS, per sua natura, accumula sempre errore e non può mai auto-correggersi da solo. L’unica sua “ancora di salvezza” è un aiuto esterno. Se è fortunato e ha una nave d’appoggio in superficie, può usare un USBL (Ultra-Short Baseline): un “ping-pong” acustico con la superficie che gli dà un “punto nave”. È un GPS acustico: lento, complicato e dipendente dalla “mamma-nave”, oppure prendere di tanto in tanto una “boccata d’ossigeno”, riemergere e sperare di “beccare” i satelliti per un fix del GPS al volo, prima di ritornare in apnea.

“Cosa vedo?” (Il Regno dell’Eco)

Un robot deve percepire l’ambiente per non sbattere.

• Il Rover Terrestre (Il Privilegiato): Semplice. Usa la luce. Le sue telecamere 4K vedono i colori, i segnali stradali, i pedoni. Il suo LiDAR spara innocui raggi laser e, grazie alla meravigliosa trasparenza dell’aria, riceve un’eco perfetta. Ottiene nuvole di punti 3D nitide in un istante. Vede come un’aquila.
• L’AUV: Sott’acqua, la luce è un lusso, non un diritto. Dopo i primi 200 metri (la zona afotica), è buio pesto. Buio assoluto. E anche se c’è luce in superficie (acque costiere), l’acqua non è mai “trasparente” come l’aria: è piena di particolato (plancton, sospensioni) che “sporca” l’immagine e diffonde la luce.

E se usassimo un LiDAR? Sarebbe un disastro. Sparare un raggio laser in acqua (specialmente se torbida) è come accendere gli abbaglianti in un muro di nebbia fitta. L’unica cosa che vedresti è il riflesso accecante del particolato a un metro da te (il famoso back-scattering). Inutile.

La Soluzione: Abbracciare il Buio (Bruce Wayne docet). Il rover terrestre si affida alla luce, che negli abissi lo tradisce. L’AUV ha dovuto fare come Bruce Wayne. Come direbbe Batman: “Io sono la notte“. L’AUV fa sua l’oscurità. E il suo super-potere, come quello del pipistrello, è il metodo: l’ecolocalizzazione. Ignora la luce e dipinge il suo mondo con il suono.

Negli abissi, infatti, il suono è l’unica cosa che viaggia su lunghe distanze. La luce viene assorbita, le onde radio sono morte in partenza. Il suono è l’unico “canale” rimasto aperto. Le balene lo sanno da millenni e lo usano per le loro conversazioni acustiche a chilometri di distanza (probabilmente per lamentarsi che non ci sono più le mezze stagioni).

L’AUV fa lo stesso, ma con scopi più ingegneristici:

• I suoi “occhi” frontali sono il Forward-Looking Sonar (FLS). Non pensate all’alta definizione: la fisica acustica sottomarina è ingrata. È più simile a una vecchia telecamera a bassa risoluzione, roba che i filmati del viaggio di nozze dei nostri genitori a confronto sono video a 4k. Non serve a guardare i dettagli, ma a gridare “OSTACOLO!” (una parete, un relitto, un iceberg) abbastanza in fretta da permettere all’AUV di virare prima di un costosissimo “schianto”. È il suo sistema anticollisione.
• Poi ci sono i “fotografi” laterali, i Side Scan Sonar (SSS). Questi sono i veri artisti. Sparano due “ventagli” di suono ai lati e, invece di misurare il tempo di ritorno, “dipingono” un’immagine basandosi sull’intensità dell’eco e sulle ombre acustiche. È come illuminare il fondale con una torcia tenuta di taglio: non ti dice quanto è profondo, ma ti mostra la texture. È il sensore perfetto per trovare relitti, pipeline, o (forse) le chiavi di casa se le hai perse in 2000 metri d’acqua.
• Infine troviamo il DVL, il suo tachimetro acustico. Il DVL spara 4 raggi acustici verso il fondale. Oltre a misurare la distanza da esso (funzionando da altimetro), misura l’effetto Doppler (sì, quello presente in ogni libro di Fisica del liceo con l’immagine dell’ambulanza che si allontana) del suono che rimbalza. Da questo capisce la sua velocità vera rispetto al fondale. Questo dato è fondamentale e permette di correggere la sua navigazione inerziale ed evitare il drift!

E quando pensavate che la parte acustica fosse finita, arriva la fregatura finale.

Il rover terrestre ha vita facile: il suo LiDAR usa la velocità della luce, che è (grazie Einstein) una costante universale.

La velocità del suono in acqua, invece, è un vero camaleonte: cambia ‘colore’ (valore) in base all’ambiente in cui si trova. Non è mai la stessa.

Cambia (e molto!) in base a tre fattori:

• Conducibilità (cioè quanto è salata l’acqua)
• Temperatura (se è gelida o tiepida)
• Depth (la pressione, cioè quanto sei in profondità)

Ecco che entra in scena il nostro eroe sconosciuto: il CTD. Questo piccolo (ma fondamentale) sensore non fa altro che “assaggiare” l’acqua in tempo reale per misurare esattamente quei tre parametri.

Questi dati vengono dati in pasto al computer, che ricalcola costantemente la velocità del suono corretta. Senza questo “traduttore” simultaneo, tutta la nostra magia acustica (Multibeam, DVL, USBL) si basa su un numero sbagliato. E il risultato? Dati inutili. Bugie molto, molto precise.

“Come mi muovo?” (L’incubo del 6-DOF)

Infine, il movimento:

• Il Rover Terrestre (Il Privilegiato): Ruote. L’invenzione migliore dell’umanità dopo il caffè. L’attrito col terreno (il grip) è il suo migliore amico: gli permette di accelerare, frenare e sterzare con precisione millimetrica. Il suo mondo è (principalmente) un problema 2D: avanti/indietro, destra/sinistra. Ha il lusso di combattere solo la gravità (se è in salita). Vita facile.
• L’AUV (L’Esploratore Solitario): Per lui, il grip non esiste. Esiste solo il drag (la resistenza fluidodinamica), un nemico costante che cerca di frenarlo. E non è tutto: il suo “terreno” (l’acqua) non è fermo, si muove! Ci sono le correnti che lo spingono di lato, verso il basso, dove vogliono loro.

Non è un problema 2D. È un incubo di fisica chiamato 6 Gradi di Libertà (6-DOF). Non deve solo “sterzare”; deve controllare attivamente 3 assi di traslazione (avanti/indietro: surge; destra/sinistra: sway; su/giù: heave) e 3 assi di rotazione (inclinarsi: roll; beccheggiare: pitch; imbardare: yaw).

Deve “volare”, non “guidare”. E deve farlo in un fluido 800 volte più denso dell’aria.

La soluzione: un nuovo set di attuatori!

Al posto delle ruote, l’AUV usa un arsenale completamente diverso:

• Propulsori (Eliche): Al posto delle ruote motrici, ha una (o più) eliche di poppa per la spinta principale (il surge).
• Thruster (Eliche intubate): Al posto del volante, ha eliche trasversali e verticali per le manovre di precisione (sway e heave). Sono l’equivalente del parcheggio di precisione, ma in 3D.
• Pinne e Timoni (Gli “Alettoni” bagnati): Qui l’AUV si crede un aereo. E in fondo lo è. Come un aereo usa gli alettoni per virare nell’aria, l’AUV usa le sue pinne per “mordere” l’acqua (sfruttando la portanza idrodinamica) e controllare così assetto (pitch) e direzione (yaw). La fregatura? Proprio come un aereo (e come la bicicletta con cui avete imparato da piccoli), queste pinne funzionano solo se ti stai muovendo. Se l’AUV è fermo e prova a “sterzare” agitando le pinne… non succede assolutamente nulla rimanendo in balia delle correnti

Conclusione: L’Evoluzione Spietata

Quindi, quella che ho chiamato “evoluzione al contrario” è, in realtà, una sofisticazione estrema.

I robot subacquei sono i campioni di apnea della tecnologia. Hanno dovuto re-imparare tutto: a orientarsi senza stelle (i satelliti GNSS), a vedere senza luce (Sonar) e a muoversi senza terra sotto i… piedi (Thruster), il tutto combattendo correnti, pressione e corrosione.

Sono macchine incredibili che ci permettono di esplorare l’ultimo vero “spazio” inesplorato del nostro pianeta.

La prossima volta che vedete un rover terrestre bloccato da un birillo sul marciapiede, pensate con affetto al suo cugino subacqueo che, in quel momento, sta probabilmente mappando un vulcano a 3000 metri di profondità.

Decisamente un altro campionato.