The Future of Flying Robots | Vijay Kumar | TED Talks

Traduttore: Pasquale Loffreda Revisore: Davide Giordani

In my lab, we build autonomous aerial robots

Nel mio laboratorio costruiamo robot aerei autonomi

like the one you see flying here.

come quello che vedete volare qui.

Unlike the commercially available drones that you can buy today,

A differenza dei droni attualmente in commercio

this robot doesn't have any GPS on board.

questo robot non ha GPS a bordo.

So without GPS,

Quindi, senza GPS

it's hard for robots like this to determine their position.

è difficile per un robot come questo determinare la propria posizione.

This robot uses onboard sensors, cameras and laser scanners,

Questo robot monta sensori, telecamere e scanner a laser

per analizzare l'ambiente.

to scan the environment.

It detects features from the environment,

Il robot rileva le caratteristiche topografiche

and it determines where it is relative to those features,

e determina di conseguenza la sua posizione,

using a method of triangulation.

utilizzando un metodo di triangolazione.

And then it can assemble all these features into a map,

Queste caratteristiche vengono usate per costruire una piantina

like you see behind me.

come quella che vedete dietro di me.

And this map then allows the robot to understand where the obstacles are

La piantina consente al robot di individuare ostacoli

and navigate in a collision-free manner.

e navigare senza collisioni.

What I want to show you next

Adesso vorrei mostrarvi

is a set of experiments we did inside our laboratory,

una serie di esperimenti da noi condotti nel nostro laboratorio,

where this robot was able to go for longer distances.

dove il robot ha potuto coprire distanze maggiori.

So here you'll see, on the top right, what the robot sees with the camera.

In alto a destra, vedete le immagini rilevate dalla telecamera del robot.

And on the main screen --

Nello schermo grande --

and of course this is sped up by a factor of four --

velocizzato per un fattore di 4 --

on the main screen you'll see the map that it's building.

vedete la piantina che sta elaborando.

So this is a high-resolution map of the corridor around our laboratory.

Questa è una pianta in alta risoluzione del corridoio che circonda il laboratorio.

And in a minute you'll see it enter our lab,

Il robot sta per entrare nel nostro laboratorio

which is recognizable by the clutter that you see.

riconoscibile dal macello che vedete in giro.

(Laughter)

(Risate)

But the main point I want to convey to you

Ma il punto più importante

is that these robots are capable of building high-resolution maps

è che questi robot possono elaborare piantine

at five centimeters resolution,

con una risoluzione di 5 centimetri

allowing somebody who is outside the lab, or outside the building

consentendo a chi è fuori dal laboratorio o dall'edificio

to deploy these without actually going inside,

di usare i robot, senza entrare di persona,

and trying to infer what happens inside the building.

per cercare di capire quello che succede all'interno dell'edificio.

Now there's one problem with robots like this.

Ma i robot come questo presentano problemi.

The first problem is it's pretty big.

Il primo è che è piuttosto grosso.

Because it's big, it's heavy.

Il robot è grande e quindi pesante

And these robots consume about 100 watts per pound.

e consuma circa 100 Watt per ogni 450 grammi di peso.

And this makes for a very short mission life.

Dunque la durata della missione è molto breve.

The second problem

Il secondo problema

is that these robots have onboard sensors that end up being very expensive --

è che questi robot hanno sensori di bordo molto costosi --

a laser scanner, a camera and the processors.

uno scanner laser, una telecamera e i processori.

That drives up the cost of this robot.

Questi componenti aumentano i costi del robot.

So we asked ourselves a question:

Quindi ci siamo posti una domanda:

what consumer product can you buy in an electronics store

quale prodotto possiamo acquistare in un negozio di elettronica

that is inexpensive, that's lightweight, that has sensing onboard and computation?

che costi poco, sia leggero e integri sensori e funzioni di calcolo?

And we invented the flying phone.

E abbiamo inventato il telefono volante.

(Laughter)

(Risate)

So this robot uses a Samsung Galaxy smartphone that you can buy off the shelf,

Questo robot utilizza uno smartphone Samsung Galaxy acquistabile in negozio,

and all you need is an app that you can download from our app store.

a cui basta aggiungere un'applicazione scaricabile dal nostro app store.

And you can see this robot reading the letters, "TED" in this case,

Come vedete questo robot legge delle lettere, "TED" in questo caso,

looking at the corners of the "T" and the "E"

rilevando gli angoli della "T" e della "E"

and then triangulating off of that, flying autonomously.

ed effettuando la triangolazione per volare in modo autonomo.

That joystick is just there to make sure if the robot goes crazy,

Il joystick serve solo ad assicurare che, in caso il robot impazzisce,

Giuseppe can kill it.

che Giuseppe possa intervenire.

(Laughter)

(Risate)

In addition to building these small robots,

Oltre a costruire questi piccoli robot,

we also experiment with aggressive behaviors, like you see here.

abbiamo sperimentato comportamenti più aggressivi, come vedete qui.

So this robot is now traveling at two to three meters per second,

Questo robot viaggia a due o tre metri al secondo,

pitching and rolling aggressively as it changes direction.

cambiando direzione con beccheggi e rollii aggressivi.

The main point is we can have smaller robots that can go faster

Il punto centrale è che possiamo avere robot più piccoli e più veloci

and then travel in these very unstructured environments.

in grado di muoversi in ambienti molto intricati.

And in this next video,

In questo prossimo video, proprio come questo uccello, un'aquila

just like you see this bird, an eagle, gracefully coordinating its wings,

che coordina con grazia le sue ali, i suoi occhi e le zampe

its eyes and feet to grab prey out of the water,

per afferrare la preda in acqua,

our robot can go fishing, too.

anche il nostro robot sa pescare.

(Laughter)

(Risate)

In this case, this is a Philly cheesesteak hoagie that it's grabbing out of thin air.

In questo caso un panino al formaggio che afferra in volo.

(Laughter)

(Risate)

So you can see this robot going at about three meters per second,

Qui vedete il robot viaggiare a circa tre metri al secondo,

which is faster than walking speed, coordinating its arms, its claws

più veloce rispetto al passo d'uomo, coordinando bracci, pinza

and its flight with split-second timing to achieve this maneuver.

e volo in frazioni di secondo per eseguire questa manovra.

In another experiment,

In un altro esperimento,

I want to show you how the robot adapts its flight

vorrei mostrarvi in che modo il robot adatta il volo

to control its suspended payload,

per controllare il carico sospeso,

whose length is actually larger than the width of the window.

di lunghezza superiore all'altezza della finestra.

So in order to accomplish this,

Per eseguire la manovra,

it actually has to pitch and adjust the altitude

deve eseguire un beccheggio e aggiustare l'altitudine

and swing the payload through.

per fare passare il carico.

But of course we want to make these even smaller,

Naturalmente vogliamo costruirne di più piccoli,

and we're inspired in particular by honeybees.

ispirandoci soprattutto alle api.

So if you look at honeybees, and this is a slowed down video,

Osservate le api in queste riprese rallentate,

they're so small, the inertia is so lightweight --

sono tanto piccole e l'inerzia è così bassa --

(Laughter)

(Risate)

that they don't care -- they bounce off my hand, for example.

che non hanno problemi - per esempio possono rimbalzare sulla mia mano.

This is a little robot that mimics the honeybee behavior.

Questo piccolo robot simula il comportamento di un'ape.

And smaller is better,

E quanto più è piccolo meglio è

because along with the small size you get lower inertia.

perché riducendo la dimensione si riduce l'inerzia.

Along with lower inertia --

Minore l'inerzia --

(Robot buzzing, laughter)

(Robot che ronza, risate)

along with lower inertia, you're resistant to collisions.

Minore l'inerzia, maggiore la resistenza alle collisioni

And that makes you more robust.

e questo aumenta la robustezza.

So just like these honeybees, we build small robots.

Quindi, costruiamo robot piccoli come queste api

And this particular one is only 25 grams in weight.

e questo, in particolare, pesa solo 25 grammi.

It consumes only six watts of power.

Consuma solo 6 Watt di potenza

And it can travel up to six meters per second.

e può viaggiare fino a sei metri al secondo.

So if I normalize that to its size,

Se normalizzo questo alla sua dimensione,

it's like a Boeing 787 traveling ten times the speed of sound.

è come un Boeing 787 che viaggia 10 volte più veloce del suono.

E --

(Laughter)

(Risate)

And I want to show you an example.

voglio mostrarvi un esempio.

This is probably the first planned mid-air collision, at one-twentieth normal speed.

Questa è probabilmente la prima collisione aerea pianificata

a 1/20 della velocità normale.

These are going at a relative speed of two meters per second,

Questi robot hanno una velocità relativa di 2 metri al secondo

and this illustrates the basic principle.

e questo dimostra il principio fondamentale.

The two-gram carbon fiber cage around it prevents the propellers from entangling,

La gabbia di 2 grammi in fibra di carbonio impedisce solo che le eliche si incastrino

but essentially the collision is absorbed and the robot responds to the collisions.

ma di fatto la collisione viene assorbita e il robot risponde bene all'urto.

And so small also means safe.

Quindi piccolo significa anche sicuro.

In my lab, as we developed these robots,

Nel mio laboratorio, lo sviluppo dei robot

we start off with these big robots

è iniziato con modelli grandi

and then now we're down to these small robots.

per poi passare a questi robot piccoli.

And if you plot a histogram of the number of Band-Aids we've ordered

E se tracciate un istogramma con il numero di cerotti che abbiamo ordinato

in the past, that sort of tailed off now.

in passato, sarebbe in netto calo adesso

Because these robots are really safe.

perché questi robot sono davvero sicuri.

The small size has some disadvantages,

Le piccole dimensioni creano qualche svantaggio,

and nature has found a number of ways to compensate for these disadvantages.

ma la natura ha trovato modi per compensare.

The basic idea is they aggregate to form large groups, or swarms.

Sostanzialmente la soluzione è aggregare in grandi gruppi, o stormi.

So, similarly, in our lab, we try to create artificial robot swarms.

Dunque, nel nostro lab, cerchiamo di creare stormi artificiali di robot.

And this is quite challenging

E non è affatto semplice

because now you have to think about networks of robots.

perché dobbiamo pensare in termini di reti di robot.

And within each robot,

E per ogni robot

you have to think about the interplay of sensing, communication, computation --

dobbiamo risolvere l'interazione tra rilevazione, comunicazione, calcolo --

and this network then becomes quite difficult to control and manage.

e questa rete diventa pertanto difficile da controllare e gestire.

So from nature we take away three organizing principles

La natura ci insegna 3 principi organizzativi

that essentially allow us to develop our algorithms.

che ci consentono essenzialmente di sviluppare i nostri algoritmi.

The first idea is that robots need to be aware of their neighbors.

La prima idea è che i robot devono captare i robot circostanti.

They need to be able to sense and communicate with their neighbors.

Devono essere in grado di rilevare e comunicare con i robot vicini.

So this video illustrates the basic idea.

Questo video illustra l'idea di base.

You have four robots --

Abbiamo quattro robot --

one of the robots has actually been hijacked by a human operator, literally.

uno dei robot viene letteralmente dirottato da un operatore umano.

But because the robots interact with each other,

Ma siccome i robot interagiscono tra loro,

they sense their neighbors,

rilevano la presenza dei vicini

they essentially follow.

ed essenzialmente seguono.

And here there's a single person able to lead this network of followers.

E qui una sola persona è in grado di controllare tutto il gruppo che segue.

So again, it's not because all the robots know where they're supposed to go.

Anche qui, non è perché i robot sanno dove devono andare,

It's because they're just reacting to the positions of their neighbors.

ma semplicemente perché reagiscono alla posizione dei robot vicini.

(Laughter)

(Risate)

So the next experiment illustrates the second organizing principle.

Il prossimo esperimento illustra il secondo principio organizzativo.

And this principle has to do with the principle of anonymity.

E questo principio riguarda il concetto di anonimità.

Here the key idea is that

Qui l'idea chiave è che

the robots are agnostic to the identities of their neighbors.

i robot non conoscono l'identità dei robot vicini.

They're asked to form a circular shape,

Gli viene chiesto di formare un cerchio,

and no matter how many robots you introduce into the formation,

e indipendentemente dal numero di robot introdotti nella formazione,

or how many robots you pull out,

o eliminati dalla formazione,

each robot is simply reacting to its neighbor.

ogni robot si limita a reagire rispetto a quello accanto.

It's aware of the fact that it needs to form the circular shape,

Sa che deve formare un cerchio,

but collaborating with its neighbors

ma collaborando con i vicini

it forms the shape without central coordination.

forma il cerchio senza un coordinamento centrale.

Now if you put these ideas together,

Ora, se mettiamo insieme queste idee,

the third idea is that we essentially give these robots

la terza idea consiste essenzialmente nel dare a questi robot

mathematical descriptions of the shape they need to execute.

descrizioni matematiche della forma da eseguire.

And these shapes can be varying as a function of time,

E queste forme possono variare come funzione temporale

and you'll see these robots start from a circular formation,

e vedete che questi robot iniziano a formare un cerchio

change into a rectangular formation, stretch into a straight line,

poi cambiano formando un rettangolo, si mettono in fila

back into an ellipse.

e riformano un'ellisse.

And they do this with the same kind of split-second coordination

E lo fanno con la stessa coordinazione basata su frazioni di secondo

that you see in natural swarms, in nature.

che osserviamo in natura negli stormi.

So why work with swarms?

Ma perché lavoriamo con gli stormi?

Let me tell you about two applications that we are very interested in.

Consentitemi di parlarvi di due applicazioni che ci interessano molto.

The first one has to do with agriculture,

La prima riguarda l'agricoltura,

which is probably the biggest problem that we're facing worldwide.

probabilmente il problema più pressante a livello mondiale.

As you well know,

Come ben sapete,

one in every seven persons in this earth is malnourished.

una persona su sette su questo pianeta soffre di malnutrizione.

Most of the land that we can cultivate has already been cultivated.

La maggior parte della terra che possiamo coltivare è già coltivata.

And the efficiency of most systems in the world is improving,

L'efficienza di moltissimi sistemi mondiali va migliorando,

but our production system efficiency is actually declining.

ma quella del nostro sistema produttivo va peggiorando

And that's mostly because of water shortage, crop diseases, climate change

soprattutto per carenza d'acqua, malattie delle colture, cambiamenti climatici

and a couple of other things.

e qualche altro fattore.

So what can robots do?

Cosa possono fare i robot?

Well, we adopt an approach that's called Precision Farming in the community.

Beh, adottiamo un approccio detto 'agricoltura di precisione' nella comunità

And the basic idea is that we fly aerial robots through orchards,

e l'idea di base è far volare i robot sui frutteti

and then we build precision models of individual plants.

ed elaborare modelli di precisione di ogni pianta.

So just like personalized medicine,

Come la medicina personalizzata,

while you might imagine wanting to treat every patient individually,

che intende trattare ogni paziente su base individuale,

what we'd like to do is build models of individual plants

vogliamo costruire modelli per ciascuna pianta

and then tell the farmer what kind of inputs every plant needs --

e dire all'agricoltore di cosa ha bisogno ciascuna --

the inputs in this case being water, fertilizer and pesticide.

in termini di acqua, fertilizzante e pesticidi.

Here you'll see robots traveling through an apple orchard,

Qui vedete un robot che sorvola un meleto

and in a minute you'll see two of its companions

e tra un attimo ne vedrete altri due

doing the same thing on the left side.

che lo affiancano sulla sinistra.

And what they're doing is essentially building a map of the orchard.

Praticamente stanno elaborando una piantina del meleto.

Within the map is a map of every plant in this orchard.

La piantina contiene un'immagine precisa di ciascun albero.

(Robot buzzing)

(Ronzio del robot in volo)

Let's see what those maps look like.

Ma vediamo come sono queste piantine.

In the next video, you'll see the cameras that are being used on this robot.

Nel video successivo vedrete le telecamere usate su questo robot.

On the top-left is essentially a standard color camera.

In alto a sinistra c'è una normale telecamera a colori.

On the left-center is an infrared camera.

Al centro una telecamera a infrarossi

And on the bottom-left is a thermal camera.

In basso a sinistra una termocamera.

And on the main panel, you're seeing a three-dimensional reconstruction

Nel riquadro principale vedete una ricostruzione tridimensionale

of every tree in the orchard as the sensors fly right past the trees.

di ogni albero del meleto creata dai sensori che li sorvolano.

Armed with information like this, we can do several things.

Queste informazioni ci consentono di fare varie cose.

The first and possibly the most important thing we can do is very simple:

La prima, e forse la più importante, è molto semplice:

count the number of fruits on every tree.

contare il numero di frutti per ciascun albero.

By doing this, you tell the farmer how many fruits she has in every tree

In questo modo l'agricoltore sa quanti frutti ha per ciascun albero

and allow her to estimate the yield in the orchard,

e può stimare la raccolta nel suo meleto,

optimizing the production chain downstream.

ottimizzando le fasi successive della catena di produzione.

The second thing we can do

La seconda cosa che possiamo fare

is take models of plants, construct three-dimensional reconstructions,

è usare questi modelli per elaborare ricostruzioni 3D

and from that estimate the canopy size,

e stimare la superficie della copertura arborea

and then correlate the canopy size to the amount of leaf area on every plant.

e correlarla alla quantità di fogliame per ciascun albero.

And this is called the leaf area index.

Questo valore si chiama indice dell'area fogliare.

So if you know this leaf area index,

Ricavando l'indice dell'area fogliare

you essentially have a measure of how much photosynthesis is possible in every plant,

possiamo misurare il livello di fotosintesi possibile in ciascuna pianta

which again tells you how healthy each plant is.

e quindi desumerne lo stato di salute.

By combining visual and infrared information,

Combinando le informazioni ottiche e quelle a infrarossi

we can also compute indices such as NDVI.

possiamo calcolare altri indici, come l'NDVI.

And in this particular case, you can essentially see

Nel caso specifico, potete vedere

there are some crops that are not doing as well as other crops.

che alcune colture vanno peggio di altre.

This is easily discernible from imagery,

Lo si vede bene dalle immagini,

not just visual imagery but combining

non dalle sole immagini ottiche, ma combinando

both visual imagery and infrared imagery.

immagini ottiche e a infrarossi.

And then lastly,

Infine,

one thing we're interested in doing is detecting the early onset of chlorosis --

quello che ci interessa fare è rilevare i primi segnali di clorosi --

and this is an orange tree --

questo è un arancio --

which is essentially seen by yellowing of leaves.

e qui si nota l'ingiallimento delle foglie.

But robots flying overhead can easily spot this autonomously

I robot che sorvolano il frutteto notano questi segnali autonomamente

and then report to the farmer that he or she has a problem

e informano l'agricoltore della presenza di un problema

in this section of the orchard.

in questa sezione del frutteto.

Systems like this can really help,

Dunque questi sistemi sono molto utili,

and we're projecting yields that can improve by about ten percent

stiamo calcolando rese incrementabili del dieci percento circa

and, more importantly, decrease the amount of inputs such as water

e, soprattutto, stiamo riducendo i consumi idrici

by 25 percent by using aerial robot swarms.

del 25 percento usando stormi di robot aerei.

Lastly, I want you to applaud the people who actually create the future,

Vorrei concludere con un applauso alle persone che stanno creando il futuro:

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu and Giuseppe Loianno,

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu e Giuseppe Loianno,

who are responsible for the three demonstrations that you saw.

responsabili delle tre dimostrazioni che avete visto.

Thank you.

Grazie.

(Applause)

(Applauso)