Avatar robotici per interagire con sistemi naturali

Donato Romano è il vincitore dell'AgroInnovation Award 2019 nella categoria "Agricoltura di precisione" - tesi di dottorato

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Agroinnovation Award è il premio di laurea al fine di promuovere la diffusione di approcci innovativi, strumenti digitali e l'utilizzo di internet in agricoltura

I sistemi di interazione ibrida tra animali e robot rappresentano un contesto multidisciplinare di ricerca affascinante e unico della bioingegneria e della bionica.
Questo campo innovativo offre nuove opportunità di indirizzo per molteplici scopi scientifici e tecnologici, tra cui ricerche di matrice biologica, nonché nuovi paradigmi di progettazione in ingegneria.

Questa tesi di dottorato descrive, nei suoi diversi casi studio, approcci pionieri ed innovativi per stabilire interazioni animali-robot al fine di studiare e controllare con successo sistemi bioibridi, sfruttando il contributo sinergico tra ingegneria e biologia.

Le piattaforme robotiche qui sviluppate hanno modulato efficacemente i comportamenti di diverse specie dopo un'approfondita analisi dell’etologia, morfologia e fisiologia del modello animale e la successiva progettazione di artefatti con rilevanti caratteristiche biomimetiche.
L’autore ha controllato diversi comportamenti che svolgono un ruolo chiave nell'energetica e nella fisiologia di una specie (ad esempio aggressività e territorialità, interazione preda-predatore, corteggiamento, coalescenza di aggregazioni animali e la loro distribuzione nello spazio), che possono influenzarne potenzialmente la fitness. I risultati ottenuti possono contribuire notevolmente alla gestione dei sistemi naturali e al controllo di diverse specie animali utilizzati come biosensori/attuatori nell'ambiente, spingendo oltre l'attuale stato dell'arte la cibernetica dei sistemi robotici, nonché i sistemi multi-agente.

Tali contributi rappresentano anche un approccio sofisticato allo studio dell’etologia, con potenziali applicazioni nel controllo delle popolazioni di animali ritenuti “pest” in agricoltura o nel miglioramento delle condizioni di allevamento di altre specie animali. Importanti applicazioni potrebbero avere nella conservazione della fauna selvatica, nel progresso delle tecniche di precisione ed automazione per la protezione delle colture e l'agricoltura in generale.

Questa tesi fornisce anche un nuovo paradigma per la neuro-robotica grazie al fatto che introduce ricerche pioniere nell’uso di artefatti biorobotici in studi di neuroetologia, ed in particolare nelle indagini incentrate sulla lateralizzazione di diverse specie di artropodi. L'organizzazione del sistema nervoso centrale relativamente più semplice degli insetti, li rende un modello ideale per la ricerca di asimmetrie funzionali del cervello umano. Qui, nuove scoperte scientifiche sono state condotte utilizzando l'approccio biorobotico, che hanno portato ad inferenze su affascinanti relazioni tra l'evoluzione della lateralizzazione del cervello nei vertebrati e negli invertebrati. È interessante notare che gli insetti possono servire da modello per studiare disturbi neurocomportamentali umani, poiché gli artropodi forniscono una soluzione semplificata per svelare il meccanismo patologico di tali disturbi. Inoltre, le nuove conoscenze scientifiche fornite da questi studi possono essere sfruttate per progettare strategie di controllo ottimizzate in sistemi artificiali dotati di un sistema neurale sintetico.

Un ulteriore contributo di questa tesi è rappresentato dalla prima interazione bioibrida tra un parassita ed un agente robotico mimante l’ospite naturale. I biorobotici possono produrre nuove straordinarie opportunità di indagine orientata alla parassitologia, e in particolare allo sviluppo di dispositivi bioispirati avanzati e sostenibili per il controllo di vettori, parassiti e agenti patogeni di rilevante interesse medico-veterinario, o di importanza agronomica.

Oltre a produrre "New Science", questo campo scientifico ha un notevole impatto socio-economico. Un importante obiettivo dell’attività di dottorato dell’autore è stato quello di comprendere il ruolo dei sistemi ibridi animale-robot nella società e portarli fuori dal laboratorio, al fine di chiudere il cerchio scienza-innovazione. In particolare, l’autore ha sviluppato una soluzione per controllare artropodi vettori di importanti malattie, che è rispettosa dell'ambiente e che potenzialmente porta un'innovazione dirompente nel mercato del controllo delle zanzare (circa di 35 miliardi di dollari all'anno). Ciò ha portato al deposito di una domanda di brevetto sulla tecnologia e alla fondazione di uno spin-off.

Sono state inoltre condotte dall’autore numerose altre attività di ricerca, che hanno portato a importanti scoperte e ad una copiosa produzione scientifica di grande interesse per i programmi di controllo integrato dei parassiti. In particolare, numerosi studi si sono concentrati sui comportamenti riproduttivi in diverse specie di insetti utilizzati come nemici naturali nel controllo biologico, e di insetti ritenuti dannosi per l’uomo. Questi risultati sono preziosi per comprendere meglio l'ecologia comportamentale di queste specie e quindi sviluppare modelli più affidabili della dinamica delle loro popolazioni.
 
Donato Romano
Donato Romano, categoria "Agricoltura di precisione"
(Fonte foto: © Donato Romano)

Scarica la tesi completa di Donato Romano
Per eventuali contatti: donato.romano@santannapisa.it

AgroInnovation Award è il premio di laurea istituito da Image Line in collaborazione con l'Accademia dei Georgofili al fine di promuovere la diffusione di approcci innovativi, strumenti digitali e l'utilizzo di internet in agricoltura.

AgroInnovation Award

Leggi le tesi vincitrici della terza edizione.

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