Robotica educativa

I set cibernetici sono risorse cruciali : «veri oggetti su cui riflettere» che, attraverso la simulazione e la costruzione di modelli, favoriscono un apprendimento attivo e costruttivo, problematico e contestuale. In questo lavoro vengono illustrati aspetti essenziali di un'attività di Robotica educativa: dal quadro teorico di riferimento, che la legittima da un punto di vista pedagogico, a concetti innovativi in contesti educativi, quali comportamenti emergenti, sistemi dinamici complessi e sistemi che apprendono.

Il contesto teorico

"I bambini adorano costruire oggetti, così mi dissi, scegliamo un set di costruzioni e aggiungiamogli tutto quello che serve per creare dei modelli cibernetici. I bambini dovranno essere in grado di costruire una tartaruga dotata di motori e sensori e avere il modo di scrivere programmi Logo per guidarla; ma se desiderano fabbricare un drago o un camion o un letto ribaltabile, devono avere anche quella possibilità.

L'unico limite deve essere quello della loro immaginazione e delle loro capacità tecniche. Nel caso dei primi esperimenti condotti sulla scorta di questo indirizzo, i motori e i sensori dovettero essere collegati a un computer tramite un'interfaccia.

In tempi più recenti siamo riusciti a costruire computer abbastanza piccoli da poter essere inseriti nei modelli stessi. La differenza è sostanziale; ora l'intelligenza si trova in realtà all'interno del modello non in un computer fuori scala. Inoltre i modelli possono essere autonomi. Possono muoversi a piacimento senza un cordone ombelicale. Tutto insomma appare più reale".

(S.Papert, "I bambini e il computer")
Seymour Papert, uno studioso che opera presso il prestigioso MIT (Massachussets Institute Technology) di Boston, uno dei centri di ricerca che maggiormente si occupa di sviluppo tecnologico e degli effetti che questo ha sulle dinamiche culturali della società odierna. E' uno dei pionieri dell'intelligenza artificiale che agli inizi degli anni Sessanta è entrato al MIT fondando con Marvin Minsky il gruppo che si occupava di Intelligenza artificiale.

È stato merito soprattutto del costruzionismo di Papert l'aver messo in luce il ruolo degli artefatti cognitivi nella costruzione della conoscenza: questa è il risultato di un impegno attivo col mondo attraverso la creazione e manipolazione di artefatti tangibili (siano essi castelli di sabbia, programmi di computer, costruzioni LEGO, composizioni musicali, ecc.), che rivestano un particolare significato personale e che siano oggetti su cui riflettere.

In altre parole secondo S. Papert la costruzione che ha luogo nella testa risulta più efficace se è supportata dalla costruzione di qualcosa di concreto.

Da un punto di vista teorico il contributo si può ricondurre alla formulazione dell'idea di costruzionismo, un'interpretazione e rivisitazione di quelle che erano le osservazioni portate dagli psicologi cognitivisti, il cui uso pedagogico attuale si fa risalire alla dottrina di Piaget.

Papert oltre ad offrire un grosso contributo teorico, presenta anche invenzioni pratiche come il linguaggio Logo e l'estensione di questo ad un vero e proprio set di robotica, in modo da offrire ai bambini non solo strumenti per concretizzare il pensiero astratto, ma anche per realizzare "creature artificiali".

Robotica

La robotica è la disciplina che sviluppa sistemi artificiali che presentano sia le prestazioni dei sistemi informatici sia le prestazioni che derivano dalla interazione con l'ambiente, tramite sensori e attuatori.

Molti hanno sentito parlare di robot, ne hanno visto qualcuno in immagini e ne conoscono gli impieghi. Ma la visione che si ha al momento della robotica spesso non è completa né corretta. Questo perché si tratta di una scienza recente, che si stà sviluppando: il tutto porta ad un'oggettiva carenza di divulgazione.

In questo, la fantascienza, la letteratura hanno anticipato il lavoro scientifico vero e proprio, e questo non è accaduto solo nel nostro settore, ma in molti altri ambiti disciplinari. Come già accaduto in precedenza, per altre innovazioni tecnologiche, fu la letteratura a delineare i tratti salienti di una scienza non ancora esistente.

Due esempi.

La parola robot viene da una rappresentazione teatrale che fu scritta nel corso degli anni Trenta dello scorso secolo.

Poi, la parola Robotica, per intendere la scienza che studia e costruisce robot è stata coniata dallo scrittore di fantascienza Isaac Asimov, in un racconto nel quale introduce per la prima volta le tre leggi della Robotica.

L'inventore americano Joseph F. Engelberger, considerato tra i padri fondatori della robotica, restò talmente affascinato dall'idea di poter costruire "creature artificiali" in grado di aiutare l'uomo e liberarlo dall'onere di compiti ingrati e pesanti, da dedicare la sua vita a questa idea.

Oggi un sistema robotico deve risolvere un compito concreto in una situazione reale e dovrà quindi considerare l'approssimazione con cui il mondo è a noi noto e modellizzabile.

La ricerca orientata allo sviluppo di attuatori e sensori che permettano di ottenere in modo omogeneo con molti gradi di libertà e in grado di recepire una grande mole di informazioni sensoriali è un imperativo per l'avanzamento della robotica.

Oggi la scienza è fortemente intrecciata con i risultati della tecnologia attraverso uno scambio reciproco e continuo. La biologia, le neuroscienze, la genetica, hanno fatto grandi progressi e sono emersi nuovi modelli del comportamento che sono direttamente ispirati al sistema nervoso, le reti neurali.

Tutto ciò che conosciamo sul cervello e sul corpo influenza le tecnologie.

Parliamo di robot guidati da reti neurali, robot che evolvono e apprendono (robotica evolutiva).

Le ricerche si basano sulla consapevolezza che i sistemi artificiali non debbono essere progettati: un robot che sia controllato da una rete neurale invece che da un programma progettato da un essere umano, come erano i robot fino a oggi, ha il vantaggio che ha imparato da solo quello che sa fare è in sintesi in grado di evolvere e autorganizzarsi.

Per questo il robot avrà un comportamento più evoluto e flessibile, capace di adattarsi alle circostanze e di affrontare problemi nuovi. Le aree fondamentali della robotica sono i sistemi di visione e percezione artificiale, la manipolazione, la navigazione e i sistemi per l'automazione della produzione, nella casa e della città i sistemi artificiali di supporto al nostro corpo.

Robotica in contesti educativi

In questi ultimi anni diversi lavori di ricerca provenienti soprattutto dall'area delle tecnologie didattiche hanno posto l'attenzione sui nuovi ambienti e strumenti per l'apprendimento scolastico che possiamo anche definire contesti di "apprendimento motivanti".

Cercheremo di dimostrare che lo sviluppo di questi nuovi ambienti educativi ha seguito un percorso coerente strettamente intrecciato con l'attività di ricerca in ambiti diversi che vanno dalla Psicologia alla Robotica evolutiva.

Il loro contributo fondamentale è stato quello di aver riconsiderato e proposto la robotica anche dal punto di vista educativo e questa area di interesse va sotto il nome di Robotica Educativa. Disciplina ancora giovane, che dispone tuttavia di un buon patrimonio di ricerca, di valide esperienze e proposte curricolari ai diversi livelli dell'insegnamento.

Attinge a contributi provenienti da discipline diverse quali la cibernetica, l'Intelligenza Artificiale, l'informatica, la biologia, ma anche la psicologia e le neuroscienze. Sul piano cognitivo l'utilizzo dei prodotti Lego, dai primi kit meccanici ai recenti set cibernetici impone un'attenta riflessione che coinvolge il docente e le metodologie dell'apprendimento.

Si tratta di utilizzare una componentistica, creata prioritariamente per altre finalità in un contesto educativo e ciò inevitabilmente richiede una sua legittimazione quale scelta pedagogica, impone di affrontare i risolvere problemi organizzativi e logistici attraverso l'allestimento di spazi strutturati e una attitudine a intervenire sia sugli strumenti che sul contesto.

In questo lavoro, senza voler entrare nel merito dell'organizzazione pratica dell'esperienza e delle strategie metodologiche, frutto di un lavoro di ricerca ormai ventennale, faremo riferimento comunque agli spazi strutturati per accogliere l'attività: il laboratorio di progettazione microrobotica.

L'esperienza negli anni ha sviluppato e sperimentato, in un contesto di scuola secondaria, materiali didattici tecnologicamente avanzati connotandosi come innovazione di percorsi di insegnamento-apprendimento in area tecnologica. Un lavoro realizzato in una prospettiva che vede lo studente come attivo co-costruttore di conoscenze, orientato al perseguimento di una crescente riflessione, consapevolezza, auto-valutazione dei propri processi.

Un'innovazione coerente con i procedimenti del pensiero tecnologico, che utilizza il laboratorio di microrobotica inteso come ambiente d'apprendimento, spazio strutturato in cui gli studenti possono realizzare: attività di documentazione, condivisione, riflessione e metacognizione.

L'utilizzo di set cibernetici sono risorse cruciali nei nuovi ambienti d'apprendimento: veri "oggetti su cui riflettere" che, attraverso la semplice simulazione e la costruzione di modelli, generano "integrazione cognitiva" attraverso un apprendimento attivo e costruttivo, problematico e contestuale.

Una proposta che, implicitamente, tocca in modo chiaramente trasversale modelli, metodi, discipline.

I ragazzi acquisiscono una vasta gamma di conoscenze e familiarizzano con quei sistemi che rientrano nella categoria dei cosiddetti sistemi dinamici complessi.

L'esperienza di Microrobotica si caratterizza sostanzialmente come attività di sperimentazione metodologica che tiene conto dei seguenti criteri di organicità e coerenza:

• di un reale inserimento nella pratica scolastica;
• grado di interattività e di coinvolgimento alunni;
• •efficace integrazione degli aspetti multimediali;
• coinvolgimento di più ambiti disciplinari;
• rilevanza concettuale e formativa dei contenuti/abilità;
• possibilità di organizzare i percorsi didattici per livelli;

Sul piano della sua spendibilità formativa il laboratorio di progettazione microrobotica, coerentemente con i procedimenti del pensiero tecnologico, si caratterizza per:

• la ricerca di scelte razionali e di ottimizzazione delle stesse in attività di progettazione/realizzazione;
• l'utilizzo di linguaggi specifici della tecnologia;
• la costruzione di modelli per la lettura di un fatto o fenomeno in area tecnologica;
• la possibilità di progettare e realizzare modelli analogici di sistemi complessi, dove il principio dell'analogia non si riscontra tanto nella corrispondenza di materiali, quanto piuttosto nella visualizzazione tangibile di rapporti topologici, funzionali, di relazione e di sequenzialità logica;
• la valorizzazione dello strumento informatico visto non solo come fine, ma mezzo per nuovi e più stimolanti apprendimenti attraverso l'introduzione e la definizione di un ambiente di programmazione fortemente orientato alle esigenze che emergono nei diversi contesti costruttivi;
• l'utilizzo di metodologie didattiche quali: la scoperta guidata e il problem-solving abitua i ragazzi a lavorare in gruppo per individuare i problemi, scegliere soluzioni, verificare i risultati.

Il rapporto informatica/robotica

In questo lavoro di robotica educativa ci sembra opportuno sottolineare alcuni termini ricorrenti: ci riferiamo all'informatica e alla robotica ed ai loro stretti legami disciplinari, concettuali ed operativi.

A livello formativo nel laboratorio di informatica trova spazio anche l'attività di robotica educativa che più agevolmente, anche per i suoi presupposti teorici di riferimento, definiremo microrobotica.

Un laboratorio progettuale dove i diversi gruppi di lavoro, a rotazione, si alternano in attività di:

• realizzazione di macchine ed automi
• attività di programmazione al computer

Esiste una buona produzione di materiali utilizzabile ai diversi livelli e, nel caso di laboratorio di robotica educativa, il kit MindStorms rappresenta una dotazione fondamentale che consente di acquisire abilità e conoscenze nella progettazione e programmazione ed anche per approfondire alcuni aspetti del rapporto informatica/robotica.

In quest'ultimo caso si tratta di percorsi di sperimentazione legate in particolare all'introduzione di importanti concetti della cibernetica quali:

A. il feedback
B. i comportamenti emergenti.

L'informatica si occupa della concezione, progettazione, realizzazione ed applicazione di particolari macchine, dette macchine dell'informatica o più semplicemente elaboratori.

L'informatica si considera, opportunamente, come strettamente collegata alla ROBOTICA, che si occupa a sua volta della concezione, progettazione, realizzazione ed applicazione di macchine, dette macchine della robotica o robot interattori.

Potremmo sintetizzare affermando che nella visione "tradizionale" dell'informatica il computer riceve in ingresso una serie di dati o informazioni, li elabora sulla base di una serie di dati e procedure immesse da un programmatore e produce un risultato in uscita.

I sistemi definiti robotici funzionano invece seguendo una logica sostanzialmente diversa: il sistema riceve in ingresso, e in modo continuo, informazioni dai sensori e produce delle risposte agli attuatori (i motori) in uscita.

Una prima e fondamentale differenza consiste dunque nel fatto che il ciclo di ingresso-elaborazione-risposta è sensibilmente più veloce e implica una interazione diretta con l'ambiente esterno.

A livelli più complesso la differenza è determinante, infatti la ripetizione ciclica di ingresso-elaborazione-risposta rappresenta ciò che costituisce un comportamento e che tale comportamento è il risultato di una continua interazione tra il sistema e l'ambiente esterno.

Questo contributo descrive i risultati di una ricerca che inizialmente ha utilizzato set meccanici fino agli attuali veri e propri Kit cibernetici per la realizzazione di robot autonomi in grado di interagire in modo autonomo con l'ambiente, si pone l'obiettivo di offrire un contributo sulla valenza educativa della robotica in contesti educativi, una proposta di innovazione dell'insegnamento in area scientifico-tecnologica.

Gli strumenti

Un percorso di robotica educativa deve tener conto della progettazione dei seguenti strumenti:

• Un kit di costruzioni meccaniche
• Un ambiente di programmazione
• Un ambiente di apprendimento collaborativo

considerato come «un posto in cui gli studenti possono lavorare insieme e aiutarsi a vicenda per imparare ad usare una molteplicità di strumenti nel comune perseguimento di obiettivi d'apprendimento e d'attività di problem solving.

I percorsi dell'apprendimento non sono peculiari caratteristiche della singola persona che apprende, ma sono il risultato di una interazione sociale in cui il ruolo giocato dai diversi gruppi è fondamentale in quanto di natura collaborativa e con l'obiettivo preciso di arrivare alla effettiva costruzione delle conoscenze che risultano pertanto condivise.

Una dimensione sociale dei percorsi di apprendimento rappresentata da ambienti di apprendimento ludici ed educativi, ove l'integrazione fra pari e altri attori più grandi risulta determinante in quanto in grado di fornire stimolo e motivazione nella realizzazione di attività nuove e non prima conosciute.

Un'attenzione particolare è che siano comunque ,e questo risulta essere fondamentale, chiare e ben strutturate, ma soprattutto alla effettiva portata degli stessi ragazzi (la cosiddetta "zona di sviluppo prossimale" di Vygotskij, 1978).

La tecnologia disponibile

I mattoncini programmabili si rifanno ai primi lavori di Papert e sono fondamentali in robotica educativa in quanto concretizzazione delle idee esplorate con il Logo. Una delle prime ricadute commerciali delle ricerche svolte nel campo della Vita Artificiale e della Robotica ha investito proprio il mondo dell'educazione.

Si tratta dei Lego Mindstorm, un prodotto nato dalla cooperazione tra il Mussachussets Institute of Technology (MIT) e la Lego (l'industria danese famosa per i mattoncini da costruzione).

Nel 1984 la Dacta in collaborazione con MIT cercarono di collegare un linguaggio di programmazione al materiale LEGO.

Questa collaborazione ha prodotto: LEGO TC, Control Lab, The Intelligent House e la tecnologia che è riscontrabile nei prodotti LEGO MINDSTORMS: una linea che permette di inventare, programmare e costruire robot.

Fa riferimento a un'ampia famiglia di set che si distinguono per gli utenti a cui si rivolge:

ROBOTICS INVENTION SYSTEM ™ (RIS)

Il prodotto più vicino alle famiglie ed è commercializzato in versione italiana e reperibile presso i negozi che distribuiscono i prodotti LEGO.

LEGO DACTA ROBOLAB

È una divisione della compagnia orientata all'educazione. Ha disegnato un prodotto chiamato ROBOLAB™ orientato per le Istituzioni formative ed è distribuito in Italia dalla Media Direct s.r.l.di Bassano del Grappa. A differenza del RIS, disponibile in un'unica configurazione, RoboLab è acquistabile in configurazione personalizzata: oltre agli stessi pezzi del RIS, con RoboLab è possibile acquistare singoli componenti.

A livello di ambiente di programmazione i due kit usano differenti software. Chi ha utilizzato i diversi set che successivamente venivano posti sul mercato ha potuto constatare che, cosi' come la serie Technic aveva portato la meccanica nel mondo dei mattoncini, la prima versione della Mindstorms (RIS, Robot Invention System) segnò una vera rivoluzione nel mondo delle costruzioni, in quanto Mindstorms portava l'intelligenza e rendeva autonomo il robot.

Si è scelto di descrivere i prodotti di robotica della Lego in quanto risultano essere i più citati in lavori di ricerca in contesti educativi e negli articoli di riferimento di questo lavoro.

Cos'è un set di robotica educativa

Mindstorms appartiene alla categoria di oggetti, tecnologicamente avanzati, che nell'ambiente sono definiti "giocattoli per pensare" ed è il risultato di oltre dieci anni di ricerca e sviluppo in stretta collaborazione tra il Media Laboratory del Massachusetts Institute of Technology Mit con la Lego Company.

E' il nome di una componentistica che la Società Danese ha introdotto sul mercato a partire dalla fine del 1998, inizialmente solo in USA e UK.

In Italia il set compare l'anno successivo in occasione delle festività di fine anno come gioco, integrando tutta quella tipologia di oggettistica tecnologicamente avanzata da intrattenimento.

Il Kit di robotica Mindstorms è indirizzato soprattutto alla realizzazione di piccoli robot autonomi in grado di interagire fra se stessi e con l'ambiente.

Il punto di forza del successo dei mattoncini intelligenti è che da sempre i ragazzi usano il gioco per esplorare il mondo e imparare come funzionano le cose e, senza voler essere troppo riduttivi, è proprio nelle due parole esplorare e funzionare che potremmo individuare le coordinate di riferimento dell'esperienza di microrobotica con Mindstorms considerato come ambiente di apprendimento.

La famiglia dei prodotti Mindstorms è ricca di soluzioni: a titolo esemplificativo ricordiamo il RIS (Robotic Invention System) che contiene più di 700 pezzi, la maggior parte dei quali sono normali pezzi della serie Lego® Technic che si trovano anche in altri set.

A differenza delle altre dotazioni il RIS contiene anche un microcomputer RCX, due motori, due sensori di contatto ed un sensore di luce.

Il kit consente di progettare e creare robot reali che fanno ciò che vuoi:

interagiscono tra loro e con l'ambiente. Con RIS si possono creare e pilotare automi in grado di fare diverse cose come: un robot che può seguire una guida, muoversi fra ostacoli ed anche programmato per nascondersi in angoli bui.

Il set comprende:

• microprocessore RCX
• software CD rom
• 717 pezzi,compresi 2 motori e 3 sensori tattili
• 1 sensore di luce il trasmettitore a raggi infrarossi
• materiale di documentazione (le sfide guidate e la constructopedia)

Immagine - 1 - il mattoncino intelligente RCX © Lego

L’elemento fondamentale del Set è il "mattoncino intelligente" denominato RCX (Immagine 1).

Altri set sono stati posti sul mercato successivamente e con configurazioni personalizzate in modo di poter soddisfare le diverse esigenze di un'attività di robotica educativa.

La più recente è LEGO® MINDSTORMS® NXT: la nuova generazione di Robotica per la Didattica disponibile in Italia a partire da settembre 2006 e presentati ufficialmente in anteprima italiana a BIAS 2006.

Incoraggiando il successo globale dell'originario LEGO MINDSTORMS Robotics Invention System, introdotto nel 1998, il gruppo LEGO sta usufruendo delle nuove tecnologie, quali un processore a 32bit, nuovi motori e sensori, comunicazione Bluetooth® wireless ed evoluti strumenti di sviluppo software.

Il nuovo software, sviluppato in LabVIEW, fornisce un ambiente di programmazione ricco di caratteristiche e dall'utilizzo intuitivo, consentendo una programmazione basata sul click-and-drag di icone. Gli utenti più giovani troveranno molto semplice la creazione di programmi, mentre gli adulti apprezzeranno la possibilità di creare programmi sofisticati per i propri robot.

Il nuovo software verrà utilizzato sia nella versione commerciale che in quella per il settore Education del LEGO MINDSTORMS NXT.

Il mattoncino RCX

Viene anche indicato con la sigla MP (Mattoncino Programmabile) ed è un piccolo computer portatile inserito nel classico mattoncino Lego capace di azioni di interazione con la realtà fisica secondo modi diversi. (Immagine 2) Il suo utilizzo apre interessanti possibilità a livello di apprendimenti dei ragazzi.

L'RCX è un piccolo computer dotato di:

• tre porte di output (per pilotare motori);
• tre porte di input (per collegare sensori);
• un display;
• 4 pulsanti e una interfaccia a infrarossi (IR) per collegarsi ad un personal computer.

Immagine - 2 - Il mattoncino Rcx ©Lego

Caratteristiche dell’hardware

Il mattoncino programmabile si caratterizza per:

• essere molto compatto
• aver un computer integrato
• essere modulare e flessibile
• i linguaggi adatti a varie esigenze
• il suo costo relativamente contenuto

I prodotti oggi maggiormente in uso per attività di robotica educativa sono rappresentati da Kit, tecnologicamente avanzati, che potremmo agevolmente definire "giocattoli per pensare".

Sul mercato sono presenti tutta una serie di offerte ed il Lego MindStorms è il più diffuso in contesti educativi. Elemento davvero speciale del kit è il "mattoncino programmabile", RCX microcomputer, vero componente chiave del set di robotica educativa.

Un dispositivo programmabile dotato di tre porte di ingresso cui connettere i sensori, tre porte di uscita per attivare gli attuatori, una porta a raggi infrarossi per comunicare con il PC o altri RCX. Il kit consente di progettare e creare robot reali che fanno ciò che vuoi: interagiscono tra loro e con l'ambiente.

Meccanismi di retroazione in robotica. Sensori e Feedback.

In microrobotica è possibile approfondire le conoscenze relative alla programmazione anche attraverso lo studio e l'utilizzo dei sensori ed attuatori.

Un altro aspetto interessante dell'esperienza è rappresentato dalla possibilità offerta da Mindstorms di lavorare in modo nuovo e diverso con gli elementi che consentono al robot di interagire con l'ambiente.

Concettualmente un meccanismo di feedback permette di adeguare il comportamento alle sollecitazioni provenienti dall'ambiente.

I sensori di base, della linea MindStorms sono di tatto ed ottici, ricevono informazioni dall'ambiente e a loro volta inviano un segnale al sistema.

I sensori

Sono gli elementi che consentono al robot di interagire con l'ambiente. I sensori possono essere sono di tatto, ottici e di temperatura e ricevono informazioni dall'ambiente inviando a loro volta un segnale al microprocessore.

Interagendo con l'ambiente esterno i sensori saranno perciò in grado di rilevare la presenza di eventuali ostacoli o la variazione intensità luminosa. Si avranno azioni consequenziali programmando opportunamente l'automa.

Per collegare i sensori ottici al mattoncino RCX occorre montare un'estremità del cavo sul sensore e l'altra alla porta sensore di ingresso indicate dai numeri 1-2-3. Il sensore ottico è in pratica uno speciale mattoncino dotato di due piccoli fori attraverso i quali può entrare il segnale luminoso.

Al suo interno troviamo una fotocellula in grado di percepire assenza o presenza di luce e variazione di intensità.

Il sensore ottico è un dispositivo che possiamo definire elettrico:è in grado cioè di trasmettere al sistema solo due stati fisici ben precisi che in una logica binaria sono definiti da 0 e 1.

Utilizzando il Test Pad incluso nei kit insieme al sensore ottico sono possibili alcune attività significative come:

• far seguire al robot una linea nera quando il sensore ottico si trova rivolto verso il basso;
• fare in modo che il robot segua oppure eviti la luce quando il sensore viene ad essere rivolto in avanti.

Anche l'altro sensore, di tatto,viene collegato alle porte di ingresso dell'RCX e concettualmente funziona come il sensore ottico potendo assumere i due stati 0 ed 1 associati ad un interruttore che può,a seconda dei casi essere premuto o rilasciato.

Da un punto di vista procedurale ai due stati possibili dei sensori:0 ed 1 si possono porre in relazione a due diversi comportamenti esibiti dal sistema come il fermarsi/attivare un movimento o cambiare la direzione in presenza di ostacoli.

Questi rapporti di evento/sensore sono molto importanti in quanto concettualmente introducono il meccanismo di feedback che consente di adeguare il comportamento del sistema alle sollecitazioni provenienti dall'ambiente.

Feedback ("retroazione")

Il concetto di feedback risulta fondamentale nelle teorie della cibernetica e trova un vasto campo di applicazioni. Il feedback é il fenomeno per cui il segnale in uscita viene in parte inviato verso l'ingresso del sistema stesso, come accade nei controlli a catena chiusa, l'output di un organismo viene restituito in input all'organismo stesso.

E' il feedback che permette l'"omeostasi", il fenomeno per cui un sistema naturale/artificiale (perciò sia il corpo umano quanto una qualsiasi macchina) tende a compensare le variazioni nell'ambiente esterno per mantenere una propria stabilità interna; é al feedback, in altre parole, che si deve la capacità di adattamento di un organismo all'ambiente.

Si può dire che il feedback deve quindi implicare una forma di intenzionalità: in sintesi quello che il sistema fa a fronte del feedback riflette inevitabilmente le caratteristiche e lo stato dell'ambiente, e pertanto si pone in relazione a qualcosa che si trova nell'ambiente.

Sia gli organismi viventi sia quelli meccanici hanno in comune qualche meccanismo di feedback che é essenziale in quanto vitale per il loro funzionamento o se vogliamo per la sua sopravvivenza.

Secondo il principio di Pfluger si può affermare che ogni processo avente un fine tende ad utilizzare il feedback per raggiungere quell'obiettivo.

Chi volesse approfondire la tematica del feedback potrebbe riferirsi agli studi di Ashby che riformula i concetti all'interno di un panorama piu' ampio ed articolato, quello di un sistema auto-organizzantesi:

si tratta di un insieme (presumibilmente grande) di unita' elementari (presumibilmente molto simili fra di loro) dotato di una struttura (presumibilmente molto complessa) capace di evolversi autonomamente e di adattarsi all'ambiente.

I sistemi auto-organizzantesi potrebbero essere così diffusi da costituire una proprietà generale dell'universo; e, naturalmente, il loro processo di evoluzione e adattamento sarebbe quello di feedback.

Studio dell'interazione robot/ambiente: i comportamenti emergenti

Il mattoncino programmabile è esplicitamente programmato in modo che chi lo usa possa continuamente modificarlo e modificare i suoi comportamenti (approccio costruzionista del MP nell'apprendimento).

Se per sistema intendiamo l'insieme dei mattonici, sensori, attuatori ed RCX allora possiamo definire il comportamento come la risultante di una continua e dinamica interazione del sistema con l'ambiente.

In tale contesto l 'RCX (microcomputer) lo potremmo definire come il "cervello" delle "creature artificiali" siano essi robot o altri oggetti cibernetici.

L'insieme dei mattoncini, sensori, motori e RCX costituisce tutto ciò che è necessario per costruire sistemi intelligenti integrati in grado di esibire un comportamento.

Sul piano degli apprendimenti costruire un automa significa anche porre il ragazzo di fronte alla realtà con tutte le sue variabili quali le indeterminatezze e le incertezze tipiche dell'ambiente (diversa dalla simulazione in contesti virtuali ove tutto è comunque predefinito).

Se per sistema intendiamo l'insieme dei mattonici, sensori,attuatoci e RCX allora possiamo definire il comportamento come la risultante di una continua e dinamica interazione del sistema con l'ambiente.

I concetti

Sono in relazione a: stabilità/instabilità strutture, affidabilità, rendimento, forma-funzione, programmazione (Teorie del controllo), feedback e comportamenti emergenti.

Utilizzando kit cibernetici qual'é il modello concettuale più adeguato alla definizione di comportamento di un robot? L'esempio ci viene dalla comparazione della nota tartaruga geometrica nello stile Logo con quella che potremmo definire tartaruga cibernetica.

Facciamo un esempio pratico.

Dovendo un veicolo girare intorno ad una struttura a base quadrata, si tenderebbe ad impostare la soluzione nel modo seguente:"Vai avanti di un lato", "Gira a sinistra esattamente di 90 gradi" e "Ripeti successivamente queste azioni per gli altri tre lati della struttura".

Il discorso invece cambia se noi possiamo disporre per il nostro veicolo di un sensore di contatto che consente di "percepire" la superficie fisica reale e reagire di conseguenza. In pratica si tratta di simulare il comportamento di chi trovandosi al buio debba circumnavigare un ostacolo seguendolo con la mano.

A questo punto per il robot realizzare un programma significa mettere in relazioni input che provengono dall'ambiente (condizione) con i comandi che permettono di attivare i motori (azione). Formalizzare mediante regole il comportamento di un robot ha senz'altro importanti implicazioni sul piano sia cognitivo, ma anche metacognitivo.

La programmazione

La LEGO fornisce anche il software (che deve essere installato sul proprio PC) che permette di programmare l'RCX tramite una semplice e simpatica interfaccia grafica. Il programma creato sul PC viene poi scaricato sull'RCX tramite l'interfaccia IR (a raggi infrarossi), e a questo punto può essere eseguito dal robot.

Il linguaggio di programmazione di Lego è l'RCX Code molto facile da usare secondo una tecnica che procede per "impilamento di blocchi grafici Accanto al MindStorms esiste il kit della Lego Dacta con il software Robolab, Media direct è importatore ufficiale in Italia di Lego Dacta (il settore educativo di Lego Educational). Esistono diverse versioni di kit MindStorms:

per quanto riguarda il microcomputer la differenza più importante è nel software, dato che l'RCX dispone di un nuovo firmware senz'altro più evoluto. E' attualmente il più potente tra i "mattoncini programmabili" della LEGO, e quello che offre le maggiori possibilità di espansione.

Si serve di sensori di contato ed ottici per ricevere input dall'ambiente elaborando i dati che consentono di accendere o spegnere i motori.

L'RCX dispone di una memoria interna per memorizzare Firmware e programmi ed un microprocessore per elaborare i dati.

Il firmware è in pratica il sistema operativo dell'RCX che gli consente di comunicare con il pc.

RCXCode

RCXCode è un ambiente di programmazione cosiddetto iconico iconico funzionante su computer ed è in dotazione nel kit "Robotics invention System" e permette lo sviluppo di programmi di controllo del robot LEGO MindStorms.

Il programma è molto accattivante e per la sua struttura e si realizza assemblando blocchi grafici (elementi di controllo o istruzioni per il robot) in "impilamenti" di strutture grafiche bidimensionali, e attraverso una torretta a raggi infrarossi scaricato sull'RCX e quindi eseguito.

Come in molti ambienti, l'interfaccia grafica agevola il lavoro di programmazione e di fatto impedisce al programmatore di commettere errori.

Importante in questo ambiente di programmazione è la gestione dell'evento definito come proprietà che assumono i sensori. In pratica quando la lettura di un sensore supera un certo valore di soglia, viene generato un evento che produce l'esecuzione di una particolare sequenza di istruzioni.

RoboLab

Nasce dalla collaborazione tra Tufts University, LEGO Education e National Instruments, RoboLab è un ambiente più completo di RCXCode, in quanto rende accessibili tutte le funzionalità offerte dall'RCX. Esso in genere viene riservato ad utenti più esperti.

RoboLab offre, inoltre, diversi sottoambienti: "pilot", destinato alle fasi introduttive; "inventor", per successivi approfondimenti; "investigator", per raccogliere, elaborare e visualizzare dati letti dai sensori. Ognuno di questi ambienti è strutturato su vari livelli di difficoltà, in cui le funzionalità vengono rese progressivamente disponibili al crescere della competenza dell'utente.

RoboLab permette, inoltre, la gestione remota (via Internet) del robot.

Anche RoboLab è un ambiente grafico di programmazione e la metafora è quella del diagramma di flusso: in Immagine 3 sono riportati degli esempi di programma. Le icone dello schema rappresentano azioni e controlli del programma; il semaforo verde rappresenta il punto d'ingresso del diagramma, e quello rosso il suo elemento terminale.

Le icone con le frecce sono rispettivamente un "go to" e la relativa etichetta d'arrivo; altre icone rappresentano i motori, il sensore di luce ecc. A differenza di RCXCode, RoboLab non gestisce gli ingressi in termini di eventi: la struttura del programma è quindi basata su un ciclo infinito di lettura dello stato del sensore e controllo conseguente dei motori.

Una volta programmato, il robot è autonomo e può dedicarsi all'esplorazione e all'interazione con l'ambiente indipendentemente dal PC. È possibile, in determinati contesti, far rilevare misure di grandezze fisiche al robot, attraverso i sensori.

Immagine - 3 - Le icone dello schema rappresentano azioni e controlli del programma: il semaforo verde è il punto di ingresso del diagramma mentre il semaforo rosso è il suo elemento terminale.

Studio dell’interazione robot/ambiente

Cos'é un comportamento emergente

L'insieme dei mattoncini, sensori, motori ed RCX costituisce tutto ciò che è necessario per costruire sistemi intelligenti integrati in grado di esibire un comportamento.

Sul piano degli apprendimenti costruire un automa significa anche porre il ragazzo di fronte alla realtà con tutte le sue variabili quali le indeterminatezze e le incertezze tipiche dell'ambiente (diversa dalla simulazione in contesti virtuali ove tutto è comunque predefinito).

Il mattoncino programmabile è esplicitamente programmato in modo che chi lo usa possa continuamente modificarlo e modificare i suoi comportamenti (approccio costruzionista del MP nell'apprendimento).

Se per sistema intendiamo l'insieme dei mattonici, sensori,attuatori ed RCX allora possiamo definire il comportamento come la risultante di una continua e dinamica interazione del sistema con l'ambiente.

In tale contesto l'RCX (microcomputer) lo potremmo definire come il "cervello" delle "creature artificiali" siano essi robot o altri oggetti cibernetici.

Approfondimento. Sistemi che apprendono

Senza voler entrare nel merito di un'analisi approfondita riteniamo comunque utile fare cenno a quella parte della ricerca che, tenendo conto del rapporto tra comportamento desiderato e comportamento esibito in sistemi dinamici complessi, come sono le strutture cibernetiche, sposta l'attenzione dagli aspetti peculiari del paradigma costruzionista verso lo sviluppo dei sistemi in grado apprendere o, in altre parole, di autorganizzarsi.

In altra parte del lavoro abbiamo visto come attraverso la costruzione di strutture cibernetiche si possono acquisire una vasta gamma di conoscenze secondo un approccio costruzionista e mettersi in relazione con quei sistemi che rientrano nella categoria dei cosiddetti sistemi dinamici complessi.

In pratica si cerca di progettare e realizzare un sistema: un corpo dotato di sensori e motori, un programma per il controllo e un ambiente che produca un comportamento desiderato.

Tale sistema produrrà normalmente un comportamento non atteso e comunque diverso da quello desiderato e di conseguenza occorrerà adottare procedure per successive approssimazioni che comporteranno una modificazione degli elementi fondamentali del sistema stesso.

Una cosa analoga può accadere se cerchiamo di costruire un robot in grado di svolgere un certo compito.

Il comportamento del robot dipende fondamentalmente dall'interazione di una serie di elementi: la struttura che costituisce il corpo del robot, il programma che lo controlla, il posizionamento di sensori e motori e l'ambiente esterno. In un sistema di questo tipo non è agevole immaginare quale è l'effetto di un singolo cambiamento in uno di questi componenti.

Di conseguenza è anche difficile immaginare quale cambiamento effettuare allo scopo di produrre un comportamento risultante più simile a quello desiderato.

Quei sistemi che appartengono alla categoria dei sistemi dinamici complessi, possono essere difficili da 'costruire' secondo un approccio costruzionista e si tenderà ad introdurre modifiche che, in base alle sue conoscenze precedenti, hanno una certa probabilità di produrre un effetto desiderato anche attraverso un processo di successiva approssimazione.

Per chi volesse approfondire questo interessante aspetto dal punto di vista della ricerca in robotica troverà nei riferimenti bibliografici i lavori di Nolfi e coll.

Il laboratorio di progettazione microrobotica

Un possibile percorso di applicazione di set di robotica educativa potrebbe concretizzarsi nelle seguenti fasi:

• A presentazione, osservazione, analisi-esplorazione della componentistica ordinaria e speciale
• B progettazione di robot
• C attività con i sensori e programmazione con software specifico
• D collaudo e verifica del progetto
• E documentazione dell'esperienza.

Da parte del docente un'attenta valutazione delle singole fasi dei percorsi nell'ottica di mediare/intervenire per aiutare i ragazzi a scoprire, esplorare, inventare, progettare, porre problemi e pensare a come trovare delle risposte.

Pur nell'artificiosità di una differenziazione di tipologie di laboratori di microrobotica, riconosciamo i due momenti portanti dell'esperienza.

• la soluzione di problemi di tipo meccanico e la realizzazione di strutture.
• la programmazione per il controllo di macchine ed automi.

Sono questi gli elementi comuni all'esperienza che ritroviamo in tutte le attività di robotica educativa.

Il giusto dosaggio degli aspetti strutturali rispetto ad un approfondimento della parte di programmazione resta una compito dell'insegnante che dovrà equilibrare le attività secondo il contesto in cui opera, le motivazioni, gli interessi e le dinamiche specifiche.

Da un punto di vista educativo e più concretamente per il coinvolgimento dell'alunno nella costruzione della conoscenza, l'idea di fondo è che i ragazzi siano in grado di progettazioni concrete procedendo per prove ed errori attraverso la ripetizione delle fasi seguenti:

• Progettazione e realizzazione del corpo del robot e dell'ambiente utilizzando i mattoncini base, i dispositivi di input (sensori) e di output (motori), e il mattoncino intelligente (microcomputer RCX).

• Attività di sviluppo o modifica del programma di controllo su un personal computer tenendo conto: della struttura meccanica del robot, del suo ambiente, e del comportamento che si vuole ottenere. Al termine di queste fasi il programma viene trasferito all'interno del microcomputer.
• Fase di osservazione del comportamento esibito dal sistema.

A questo punto, qualora il comportamento sia diverso da quello desiderato si può decidere di intervenire con attente modificazioni a livello del corpo del robot, e/o il sistema sensoriale e motorio, e/o i programma di controllo (ed eventualmente l'ambiente esterno) e ripetere le tre fasi un numero indeterminato di volte.

Ogni ripetizione di questo processo è un nuovo esperimento attraverso il quale i ragazzi si pongono un obiettivo, traducono l'obiettivo in una serie di decisioni operative ipotizzando gli effetti conseguenti di una serie diversa di possibili azioni, verificano la correttezza delle predizioni fatte ed eventualmente osservano effetti imprevisti che poi utilizzano per modificare il proprio modello del sistema.

Sul piano degli apprendimenti la fase di osservazione del comportamento esibito dal sistema è senz'altro la più interessante in quanto la ripetizione ciclica del processo pone problematiche da risolvere, ipotesi di soluzione, validazione delle stesse.

Se all'inizio le fasi di progettazione-costruzione e di programmazione sono distinte, quando invece la definizione del comportamento è avanzata le due fasi si fondono perché la programmazione impone modifiche alla struttura meccanica e la struttura meccanica dà nuove idee alla programmazione.

A livello cognitivo possiamo pertanto affermare che l'esperienza esige un reale lavoro collaborativo tra insegnante e ragazzi nelle condizioni migliori per l'apprendimento che si hanno quando l'alunno è aiutato a formulare dei problemi, a individuare una strategia per risolverti, a creare degli strumenti per affrontare una situazione problematica.

Da parte del docente un’attenta valutazione delle singole fasi dei percorsi nell’ottica di mediare/intervenire per aiutare i ragazzi a scoprire, esplorare, inventare, progettare, porre problemi e pensare a come trovare delle risposte.

Un attento esame delle fasi sequenziali proposte pone in evidenza, accanto all’RCX , gli altri elementi fondamentali, i sensori, che permettono al robot di rendersi conto dell’ambiente che lo circonda, perciò, di agire nella maniera più intelligente e precisa possibile (i comportamenti) e per far ciò i robot debbono essere autonomi (funzione dell’RCX).

"Buoni" sensori più "buoni" programmi creano comportamenti efficaci.

Un altro aspetto interessante dell’esperienza è rappresentato dalla possibilità offerta da Mindstorms di lavorare in modo nuovo e diverso con il computer. Nelle applicazioni di robotica occorre premettere che il ciclo di ingesso/elaborazione/uscita tipico del computer è sostanzialmente diverso infatti l’output inviato dipende direttamente dal programma mentre nei "sistemi integrati" è in stretta relazione/interazione con l'ambiente.

Gli schemi che seguono permettono di chiarire i concetti di Sistema intelligente, ciclo ingresso-elaborazione-uscita, interazione sistema/ambiente, comportamento emergente.

Chi si occupa di Robotica Educativa

Attualmente chi desidera iniziare un'esperienza di Robotica educativa può far riferimento a diverse realtà che si occupano di ricerca.

A seconda dei livelli di utilizzo o di approfondimento della tematica si segnalano

• Istituto di Tecnologie Didattiche del CNR di Genova
• Progetto Intelligenza Artificiale e Robotica
• Dipartimento di Elettronica e Informazione Politecnico di Milano
• l'Istituto di Psicologia del CNR di Roma
• Il Progetto CAB (Construction kits made of Atoms & Bits)

tra Il Comune di Reggio Emilia e L'Istituto di Tecnologie Didattiche del CNR di Genova.

Il Progetto si propone di esplorare le potenzialità della robotica educativa in contesti d'apprendimento pre-scolari e a livello di scuola primaria.

CKPE (Construction Kit Programmino Environnement) è un'interfaccia di programmaione visuale sviluppata nell'ambito del Progetto CAB.

Per chi volesse approfondire la tematica vedi AA.VV, "Construction Kits Made of Atoms and Bits –research Findings and Persepectives".

La scuola di Robotica di Genova

• Il Laboratorio di Robotica e Telerobotica, nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, da piu' di 15 anni sviluppa tematiche di ricerca sulla robotica e sulla meccanica dei sistemi.

Bibliografia

Erwin B. (2001), Creative Projects with LEGO Mindstorms, Addison-Wesley Pub Co, Boston , MA.
Lund, H. H, Miglino, O., Pagliarini, L., Billard, A., Ijspeert A. (1997). Evolutionary Robotics
- A Children Games. Proceedings of International Conference on Evolutionary

Martin F. G. (2001), Robotic Explorations: An Introduction to Engineering Through Design, Prentice Hall, Upper Saddle River, Martin F., Resnick M. (1993). LEGO/Logo and electronic bricks: Creating a scienceland for children, in D.L. Ferguson (Ed.) Advanced Educational Technologies for Mathematics and Science. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg

Nolfi S., and Floreano D. (2000). Evolutionary Robotics: The Biology, Intelligence, and
Technology of Self-Organizing Machines. Cambridge , MA : MIT Press/Bradford Books
Nolfi S. (1998). Evolutionary Robotics: Exploiting the full power of self-organization. Connection Science,(10) 3-4, 167-183
Papert S. (1994). I Bambini e il Computer. Milano: Rizzoli.
Papert S. (1986). Constructionism: A new opportunity for elementary science education. A
Proposal to the National Science Foundation.

Parisi D. (1997). Imparare dalle parole o imparare dalla realtà (simulata)?. Rapporto Tecnico,
Roma: Istituto di Psicologia del C.N.R.

Resnick, M. (1996). Beyond the Centralized Mindset. Journal of the Learning Sciences. (5) 1:1-22.

Sharkey, N.E. (1997) The new wave in robot learning. Robotics and Autonomous Systems. 22, 179-186.

Per maggiori informazioni:

Robot LEGO-Mindstorms
www.legomindstorms.com

LARAL - Laboratory of Autonomous Robotics and Artificial Life, CNR
http://laral.istc.cnr.it/