Tracciare l'evoluzione umana con i robot
Con l'aiuto di robot, gli archeologi potrebbero presto essere in grado di confrontare i loro reperti con i dati di migliaia di campioni di riferimento per determinare l'uso di utensili dell'età della pietra. Gli scienziati dell'ETH hanno sviluppato un sistema robotico corrispondente e lo hanno presentato alla Fiera dell'Industria di Hannover.
Radu Iovita è un archeologo. Ricorda ancora i suoi giorni da studente quando, per la paghetta, passava ore a raschiare pelli di animali con le repliche degli strumenti trovati nei siti di scavo archeologico. Analizzando le tracce d'uso al microscopio, gli archeologi volevano dedurre come venivano utilizzati gli utensili migliaia di anni fa. Questo metodo, noto come "analisi delle tracce d'uso", è ora standard nella moderna archeologia sperimentale.
"Tuttavia, analizzare manualmente le tracce d'uso è incredibilmente dispendioso in termini di tempo e, soprattutto, non possiamo controllare fattori come la forza con cui viene utilizzato un utensile o la sua posizione", spiega Iovita. Negli ultimi anni, ha cercato ripetutamente modi per condurre esperimenti controllati. Un primo successo è stato un sistema che ha permesso di utilizzare cannoni ad aria compressa per testare l'usura dipendente dall'impatto delle punte di lancia dell'Età della Pietra in modo controllato.
Archeologo e robotico uniscono le forze
Tuttavia, l'archeologo era alla ricerca di un modo per analizzare sistematicamente tutti gli strumenti e le loro applicazioni, e per farlo nel modo più automatico possibile. Iovita, ora personale scientifico presso il Centro di Ricerca Monrepos (RGZM-Istituto di Ricerca per l'Archeologia di Leibniz) a Neuwied, in Germania, si è ricordato di Jonas Buchli, professore presso l'Istituto di Robotica e Sistemi Intelligenti dell'ETH di Zurigo. I due si erano conosciuti dieci anni fa durante una scuola estiva sui sistemi complessi. Fin dall'inizio, il professore dell'ETH era entusiasta dell'idea di Iovita di automatizzare le indagini archeologiche attraverso l'uso di robot e la standardizzazione delle misure.
Lo studente di master di Buchli di allora, Johannes Pfleging, ha dotato di sensori le repliche di utensili in pietra. Come Iovita ai tempi in cui era studente, Pfleging li usò per raschiare pelli di animali, ma i movimenti e la forza applicata furono registrati dal computer. In questo modo, ha dimostrato che i sensori possono essere utilizzati per raccogliere dati importanti per la successiva riproducibilità e comparazione degli esperimenti. Tuttavia, l'analisi delle tracce d'uso ha richiesto molto tempo.
La fortuna ha voluto che proprio in questo momento l'azienda Kuka annunciasse un premio per l'innovazione e mettesse a disposizione dei progetti di ricerca innovativi dei robot leggeri con controllo della forza. Questi robot sono caratterizzati dal fatto di essere molto leggeri rispetto al peso del carico e di poter adattare le forze applicate alla resistenza sperimentata in pochi millisecondi.
Analisi completamente automatizzata con un braccio robotico
Uno di questi robot Kuka si trova nel laboratorio di Buchli dallo scorso dicembre. Pfleging, ora dottorando, ha imbullonato il braccio robotico grigio con sette gradi di libertà a un tavolo di legno. All'estremità del braccio c'è un supporto di plastica con un pezzo di legno in cui ha incollato la replica di un utensile di pietra. Non appena Pfleging avvia un programma informatico scritto da sé, il braccio inizia a raschiare autonomamente con la pietra su un pezzo di pelle attaccato al tavolo. Dopo alcuni passaggi, il braccio si piega e guida il pezzo sotto un microscopio posizionato accanto ad esso sul tavolo. Il computer di Pfleging visualizza ora un'immagine ingrandita di 80 volte della pietra, sulla quale sono visibili le tracce di abrasione.
"Con un sistema come questo, possiamo non solo automatizzare il noioso processo di creazione di tracce d'uso, ma anche analizzare la replica elaborata", spiega Buchli. Diversi robot potrebbero una volta raschiare le repliche degli utensili su pelle, pietra o legno 24 ore al giorno e posizionare l'utensile al microscopio dopo ogni 50° impatto, per esempio, al fine di scattare foto della superficie. In combinazione con i dati sul movimento e sulla forza esercitata dal braccio robotico, ciò consentirebbe in seguito di ricostruire con esattezza il modo in cui si sono verificate determinate abrasioni. "In futuro, potremmo utilizzare questi dati di analisi per creare enormi database contenenti tutte le caratteristiche delle informazioni archeologicamente rilevanti sui materiali e i loro segni di usura", spiega Buchli.
Approfondimento sulle prime civiltà
Queste estese possibilità di comparazione hanno il potenziale per accelerare la produzione di conoscenza in archeologia e paleoantropologia. Nel caso di un interessante ritrovamento di un utensile, i ricercatori potrebbero confrontare un'immagine al microscopio con migliaia di serie di dati provenienti da esperimenti di usura in tutto il mondo e trarre conclusioni sul precedente utilizzo dell'utensile.
"In archeologia, finora ci siamo occupati principalmente della morfologia degli oggetti", afferma Iovita. "Ma solo quando sappiamo come venivano utilizzati gli utensili possiamo trarre conclusioni sulla forma culturale ad essi associata". Oggi si presume anche che l'uso di utensili e le capacità cognitive necessarie a questo scopo rivelino il primo sviluppo evolutivo degli esseri umani. Soprattutto per quanto riguarda il periodo compreso tra 3 milioni e 50.000 anni fa, gli scienziati sono ancora in gran parte all'oscuro dell'uso degli utensili in quel periodo.
Cambiamento di paradigma in corso
Attualmente, Iovita sta ancora subendo un vento contrario relativamente forte dall'interno della sua stessa corporazione. Alcuni sostengono che gli esperimenti condotti manualmente siano più vicini alla realtà del passato, mentre altri ritengono che l'analisi delle tracce d'uso non faccia generalmente progredire le teorie archeologiche. Per Iovita, ciò è dovuto principalmente al fatto che la maggior parte degli archeologi ha una formazione umanistica e non ha familiarità con il mondo degli ingegneri. "Tuttavia, è in atto un cambiamento generazionale e di paradigma", è convinto Iovita. "L'interesse per l'analisi automatizzata sta crescendo e sempre più archeologi hanno accesso alla relativa tecnologia".
Iovita sta attualmente proponendo la creazione di un laboratorio di tracciatura presso il centro di ricerca di Neuwied, dove tra due o tre anni verranno effettuate le prime analisi dell'usura tramite robot. Buchli e Pfleging hanno appena presentato il loro sistema robotico agli esperti nell'ambito del Kuka Innovation Award alla fiera industriale di Hannover. In seguito, nel loro laboratorio svilupperanno un prototipo di robot più adatto all'uso archeologico e allo stesso tempo più economico dei robot leggeri convenzionali con controllo della forza. "Nel giro di dieci anni, le analisi controllate da robot dovrebbero essere uno standard in archeologia", spiega la visione di Buchli. "Per la prima volta, i risultati di ricerca sarebbero veramente comparabili, perché la metodologia alla base sarebbe standardizzata e i dispositivi calibrati per essa".