Tra le collaborazioni attive di Stripes Digitus Lab, una sicuramente spicca per innovatività e sguardo rivolto all’intelligenza artificiale: quella con Poppy Station, robotica e IA per l’educazione, le arti e la ricerca.

Poppy Station riunisce attori del mondo del business, della ricerca, della formazione, della cultura e dell’educazione che condividono una visione comune: la robotica è un’opportunità quando viene padroneggiata e messa al servizio dell’umanità.

Poppy Station mira allo sviluppo e alla conservazione degli ecosistemi robotici e delle tecnologie open source o libere associate, in tutti i campi in cui il loro uso può permettere questo sviluppo e questa conservazione, in uno spirito di trasparenza e apertura. L’Associazione presta particolare attenzione ai campi dell’educazione, della formazione, delle arti e della ricerca.

Poppy Station è il risultato di un trasferimento della ricerca di Inria dal suo ecosistema robotico open-source Poppy ad una struttura esterna multi-partner. L’ecosistema Poppy include strumenti software e hardware per la creazione e la programmazione di robot, così come contenuti educativi per l’istruzione e la formazione, e una grande comunità interdisciplinare di utenti. Questo ecosistema è stato creato e sviluppato dal team Flowers di Inria, con l’obiettivo di facili- tare la sperimentazione e la creazione di strumenti robotici innovativi nel campo dell’istruzione, della ricerca e delle arti.

Proprio questa visione, ampiamente condivisa da Stripes Digitus Lab ci ha portato ad appoggiare il progetto diventando membri di Poppy Station e utilizzando nelle nostre attività i robot Poppy nelle due versioni: Humanoid & Ergo Jr.

Due sono principalmente le vie su cui si muove Poppy Station:

• Poppy Project è una piattaforma open-source per la creazione, l’uso e la condivisione di robot interattivi stampati in 3D. Riunisce una comunità interdisciplinare di principianti ed esperti, scienziati, educatori, sviluppatori e arti- Tutti condividono una visione: i ro- bot sono strumenti potenti per impara- re ed essere creativi, e collaborano per migliorare il progetto. Sviluppano nuovi comportamenti robotici, creano contenuti pedagogici, progettano performance artistiche, migliorano il software o addirittura creano nuovi robot.
• Poppy Education: una piattaforma dedicata all’utilizzo dei robot Poppy in educazione con moltissime attività e proposte che possono essere personalizzate e utilizzate per laboratori in classe o per attività extrascolastiche.

 

Le creature Poppy
Le creature Poppy sono robot open-source, disponibili per il download e la modifica, composte da pezzi 3D stampabili e motori Dynamixel. Usano una scheda incorporata per il controllo (un Raspberry Pi o Odroid per le versioni più vecchie), sono basate su una libreria Python, che permette di control- lare i servomotori Dynamixel in modo semplice e possono essere programmati usando i linguaggi di programmazione visuale Scratch e Snap! e un linguaggio testuale Python. Possono essere utilizzati così come sono, o modificati per esplora- re nuove possibilità, aggiungere sensori e creare il proprio robot personalizzato.

Poppy Ergo Jr.
Protagonista di molti dei nostri laboratori, Poppy Ergo Jr., è un braccio robotico specificatamente creato per esigenze educative. E’ composto da 6 motori che consentono movimenti realistici ed elementi stampati in 3D altamente personalizzabili. Il braccio, infatti, può essere modificato a seconda dell’attività programmata poiché le differenti estensioni stampabili in 3D sono facilmente intercambiabili grazie ai suoi rivetti che ne facilitano montaggio e smontaggio.

Il robot è controllato con una scheda Raspberry Pi direttamente collegata con una telecamera che lo aiuta a interagire con ciò che trova davanti. In questi anni abbiamo spesso fatto interagire il robot con i partecipanti che lo utilizzavano grazie all’implementazione con un controller LEAP Motion. Utilizzando questo controller, collegabile con cavo USB al pc, è possibile far muove- re il braccio robotico Poppy Ergo Jr. in modo tale che segua il braccio di chi si trova seduto davanti a lui. In questo modo il braccio robotico emula il partecipante seguendolo in tutte le direzioni e muovendosi a seconda dei movimenti del braccio o della mano del bambi- no/a o ragazzo/a che lo sta utilizzando. In questo robot tutto è reso volontariamente trasparente e accessibile per promuovere un approccio educativo e una tecnologia interattiva. Il robot che segue la nostra mano e la imita non vie- ne percepito come qualcosa di lontano, inarrivabile e quasi magico ma come una conseguenza di una programma- zione verificabile dal pc che i partecipanti usano e del lavoro svolto dalla sua parte hardware, ovvero: motori, webcam, supporti, raspberry i quali sono volutamente resi ben visibili.

Per quanto riguarda la sua programmazione Poppy Ergo Jr si affida a “Snap!”, una variante di Scratch, si tratta quindi di programmazione a blocchi che i partecipanti possono imparare in alcuni laboratori già svolti con noi precedente- mente all’utilizzo di questo robot. La sua accessibilità ed efficienza lo rendono un ottimo strumento per scoprire la robotica e comprendere il mondo digitale, inoltre può essere utilizzato direttamente sul robot senza installazione aggiuntiva.

Abbiamo portato laboratori con questo robot in vari contesti diversi tra loro ottenendo sempre buoni riscontri dai partecipanti indipendentemente dall’età. Questi robot sono stati i protagonisti di laboratori svolti in alcune aziende dove le famiglie dei dipendenti hanno potuto sperimentare tra gli altri nostri robot anche Poppy Ergo Jr insegnandogli diversi movimenti. L’attività più apprezzata è stata quella di scrivere utilizzando il braccio robotico. I partecipanti fissavano su un supporto stampato in 3D del braccio robotico una penna e insegnavano a Poppy Ergo Jr. quale movimento svolgere per scrivere.

Poppy Humanoid
È un robot tecnologicamente molto avanzato in grado di essere completa- mente personalizzato a seconda delle esigenze specifiche che possono sorgere nella fase di progettazione di un attività. Il robot è composto da 25 motori men- tre il suo “scheletro” può essere intera- mente stampato in 3D.

La sua altezza, 83cm, gli permette di avere un impatto stupefacente durante i laboratori con bambini e ragazzi grazie alla sua forma umanoide mentre il suo peso ridotto, 3.5kg, lo rende versatile e facilmente trasportabile.

Il “cervello” di questo robot è composto da una scheda Raspberry Pi 4 version direttamente collegata allo schermo che rappresenta il suo “viso”.

Questo collegamento diretto tra Raspberry, lo schermo e i suoi motori rende il movimento del robot armonioso e molto espressivo.

La particolarità risiede nel fatto che, oltre alle moltissime capacità straordinarie, è possibile programmare il movimento di questo robot “insegnandogli” a muoversi come un umano o come noi vorremmo che facesse.

Ecco quindi che il robot può alzare un braccio, muovere una gamba, camminare e addirittura ballare abbinando il movimento dei suoi 25 motori stretta- mente collegati tra loro a ciò che vediamo sullo schermo, ovvero il suo “volto”. Oltre al collegamento con il resto del corpo del robot la scheda Raspberry è collegata anche al modulo della video- camera che si trova sulla testa del robot.

Poppy e l’intelligenza   artificiale
Il concetto di intelligenza artificiale è ancora molto frainteso e a volte messo in discussione soprattutto quando di questa si parla in relazione al mondo dell’educazione di bambine e bambini. Questo avviene principalmente perché

quando si parla di bambini e intelligenza artificiale (AI), il pensiero corre subito all’interazione bambino-robot senza riflettere sul fatto che oggigiorno le situazioni in cui bambini incontrano l’AI nei contesti di vita quotidiana sono davvero molteplici (smart speaker, software di riconoscimento facciale etc.)

Come genitori, insegnanti ed educatori non possiamo voltarci dall’altra parte, ma è nostro compito accompagnare bambini e ragazzi alla scoperta dell’intelligenza artificiale, delle sue potenzialità e delle sue criticità. Farlo attraverso strumenti appositamente pro- gettati per l’educazione, come possono essere i robot educativi e nello specifico le creature Poppy può assolutamente essere una scelta vincente per rendere i bambini protagonisti attivi dell’innova- zione tecnologica.

Alcune attività in questo ambito sono già state sperimentate e hanno reso evidente come sia possibile attraverso il braccio Poppy Ergo Jr. introdurre alcuni concetti legati all’intelligenza artificiale, come ad esempio quello di Reinforcement Learning (apprendimento per rinforzo).

Con quest’ultimo si intende un apprendimento per esperienza capitalizzando tutti i tentativi ed errori e analizzando i parametri dei successi. L’apprendimento avviene attraverso interazioni con l’ambiente: la macchina esegue un’azione, lo stato dell’ambiente cambia in risposta all’azione e alla macchina viene data una ricompensa basata sul risultato. La ricompensa permette alla macchina di scoprire progressivamente le migliori azioni da eseguire rispetto al risultato che sta cercando di ottenere.

Un’attività di apprendimento realizzata con il robot Ergo Jr ad esempio è stata quella di sperimentare un algoritmo semplice ma potente per far apprendere una specifica abilità a un robot.

Nello specifico l’obiettivo è stato quello di cercare di realizzare il maggior nume- ro di canestri lanciando una pallina con il robot. Per migliorare le percentuali di successo sono state prima fatte delle prove con dei simulatori e poi svolti gli effettivi tentativi con un Poppy Ergo Jr. leggermente modificato per l’occasione.

Dopo 10.000 tentativi simulati sono stati individuati quelli che hanno raggiunto l’obiettivo, tutti i tentativi successivi della simulazione seguente sono stati avvicinati il più possibile a quelli che erano stati positivi.

Così facendo è stata raggiunta da Poppy Ergo Jr una percentuale realizzativa del 65%, un dato molto significativo se si pensa che è stato migliorato e poi eseguito elaborando un gran numero di dati.

Un’altra esplorazione fatta con Poppy Ergo Jr., in questo caso per migliorare l’aspetto della curiosità e dell’apprendimento è stata svolta utilizzando due robot. Il primo robot aveva l’obiettivo di osservare la posizione, derivante dai motori, del secondo robot. Quest’osservazione è stata possibile perché il robot è in grado di vedere la posizione dei motori così come la luce prodotta dal secondo Ergo Jr. quando si muove.

Dopo una prima fase di esplorazione dove i movimenti e le posizioni assunte dal robot “allievo” sono casuali vengono scelti da lui posizioni sempre più simili al “maestro”. Per raggiungere i suoi obiettivi l’allievo si basa su tutto ciò che già conosce, ciò che ha appreso e visto nella prima mezzora di questo esperimento viene registrato in una banca dati. Nel successivo quarto d’ora i suoi obiettivi di imitazione/apprendimento del secondo robot vengono raggiunti molto più facilmente proprio grazie alla curiosità “casuale” con la quale il robot ha esplorato nella prima mezz’ora di esperimento.

Con un approccio di questo tipo, basato sull’utilizzo di strumenti prettamente educativi, Stripes Digitus Lab e Poppy Station ritengono sia fondamentale fare ricerca e collaborare affinché sempre più risorse sull’intelligenza artificiale e la sua sperimentazione in educazione possano diffondersi e rendere questa tematica interessante e accessibile per insegnanti, educatori e genitori.

IGOR GUIDA
Direttore scientifico Stripes Digitus Lab

SERENA BIGNAMINI e MATTEO CONTI
Esperti in robotica educativa, tecnologie digitali e intelligenza artificiale Stripes Digitus Lab