Automa, al plurale automi, si riferisce a uno qualsiasi dei vari oggetti meccanici che sono relativamente auto-operanti dopo essere stati messi in moto.
Il termine automa si applica anche a una classe di dispositivi elettromeccanici, teorici o reali, che trasformano le informazioni da una forma a un’altra sulla base di istruzioni o procedure predeterminate.
Automi, cosa sono
Gli automi sono lo studio e la comprensione delle macchine automatiche astratte, si occupano di calcolo logico; le teorie di base sugli automi aiutano gli scienziati a capire come le macchine risolvono e calcolano i problemi.
Questo campo è considerato un ramo dell’informatica, poiché la storia di entrambi ha origini simili. Gli automi hanno continuato a evolversi per quanto riguarda la loro funzione generale e le funzioni specializzate nel campo della scienza e della matematica.
Un automa è quindi una macchina relativamente auto-operante, che segue una sequenza predeterminata di istruzioni e operazioni.
Ci sono molti esempi di automi semplici e basilari nel nostro mondo quotidiano. Un esempio moderno di automi è il funzionamento della tecnologia androide.
La parola automa è la latinizzazione del termine greco “αὐτόματον”, automatos, che significa agire di propria volontà.
Un automa è una macchina auto-operante progettata per rispondere e seguire istruzioni specifiche. È impostato o programmato per seguire una serie di istruzioni o sequenze prescritte.
L’automa è generalmente un dispositivo meccanico dotato di movimento. Gli orologi a cucù sono esempi di automi. Questo tipo di macchina o dispositivo è talvolta costruito per assomigliare a un essere umano o addirittura a un animale. Sono costruiti in modo da sembrare e agire in modo autoalimentato, nonostante abbiano diversi sistemi meccanici. I robot sono un altro esempio di automi programmati per imitare il movimento e l’attività umana. Gli automi danno l’illusione di funzionare con le proprie forze, anche se sono costituiti solo da programmi e sistemi meccanici.
Gli automi nel mondo antico
Gli automi esistono fin dai tempi in cui i primi Egizi costruirono una statua del re d’Etiopia vicino a Tebe. Questa statua in particolare emetteva un suono melodioso quando i raggi del sole la colpivano in un luogo prezioso durante l’alba e il tramonto.
L’ingegnere meccanico cinese Yan Shi creò un automa a grandezza naturale a forma di uomo intorno al 1000 a.C. Il re Mu della dinastia Zhou rimase talmente stupito da questo automa che, secondo la leggenda, fu smontato davanti a lui per dimostrare che non era una persona vera. Secondo la tradizione ebraica, anche il re Salomone utilizzò la sua saggezza per costruire dispositivi meccanici.
Grecia
Sono rimasti pochi esempi di automi realizzati prima del XVI secolo, ma numerosi documenti ne riportano l’esistenza.
Tra i primi riferimenti c’è un modello in legno di un piccione costruito da Archytas di Tarentum (nel 400-350 a.C.), un amico greco di Platone. L’uccello era apparentemente sospeso all’estremità di una barra allo stesso collegata e l’intero apparato ruotava grazie a un getto di vapore o di aria compressa. Informazioni più complete su altri dispositivi si trovano negli scritti di Erone di Alessandria (nel I secolo d.C.), che descrive dispositivi azionati dall’acqua, da pesi in caduta e dal vapore.
Cina
Le testimonianze di automi in Cina risalgono già al III secolo a.C., durante la dinastia Han, quando fu realizzata un’orchestra meccanica per l’imperatore.
Durante la dinastia Sui, nel VI e VII secolo a.C., gli automi si erano diffusi e fu pubblicato un libro intitolato Shuishi tujing (“Libro delle Eleganze Idrauliche”).
Nel periodo Tang, dal VII al X secolo d.C., gli automi continuarono a essere popolari nei circoli imperiali. Sono documentati uccelli volanti, una lontra che catturava i pesci e figure impegnate in numerose attività, da un monaco che chiede l’elemosina a ragazze che cantano. Dopo il periodo Yuan (1279-1368), la creazione di automi sembra essere diminuita.
Mondo islamico
Nel mondo islamico ci furono diversi inventori attivi a partire dal IX secolo circa. I più documentati sono gli automi ad acqua, molti dei quali erano pavoni in movimento, inventati e realizzati da al-Jazarī, che lavorò nel XIII secolo per i principi della dinastia Artuqid in Mesopotamia.
Europa
I riferimenti agli automi ideati dagli europei occidentali nel Medioevo citano nomi illustri come Ruggero Bacone e Alberto Magno, entrambi accreditati della costruzione di androidi: Bacone, una testa parlante, e Magno, un uomo di ferro. Oggetti meccanici decorativi per uso ecclesiastico sono illustrati dall’architetto gotico Villard de Honnecourt nel suo famoso libro di schizzi (1235).
Gli automi nel Rinascimento
All’inizio del XVI secolo vi fu un rinnovato interesse per la fabbricazione di automi, in gran parte derivante dall’influenza degli esempi orientali portati in Europa attraverso il commercio con l’Oriente e la traduzione dal greco antico degli scritti del I secolo a.C. sugli oggetti meccanici di Erone di Alessandria.
Le fontane intricate che enfatizzavano gli effetti spettacolari e i trucchi divennero di gran moda tra i ricchi. Tra queste spiccano le fontane e i giochi d’acqua costruiti a metà del XVI secolo per i giardini di Villa d’Este a Tivoli, vicino a Roma.
Con l’uso della molla a spirale in acciaio temperato a partire dalla metà del XV secolo, nel Rinascimento divenne disponibile una fonte di movimento portatile. È stata utilizzata, ad esempio, in alcuni ornamenti da tavola a forma di velieri. I galeoni, che risalgono in gran parte alla seconda metà del XVI secolo, hanno probabilmente avuto origine nei centri orafi e argentieri della Germania, Augusta e Norimberga, con importanti maestri della costruzione meccanica e dell’oreficeria come Hans Schlottheim. Tra i “nefs”, i galeoni, più celebri c’è la “Nave di Carlo V” (Musée de Cluny, Parigi).
Gli automi dopo il Rinascimento
È tra la fine del XVIII e l’inizio del XIX secolo che fanno la loro comparsa gli automi più complessi. Tipici sono gli oggetti realizzati dai fratelli Rochat, specializzati nella produzione di uccelli canori in miniatura. Gli uccelli canori meccanici erano concepiti per apparire all’improvviso da pannelli incernierati nei piani delle tabacchiere o per funzionare in gabbie sospese in modo da rendere visibile un orologio posto sotto la base. Forse i più intriganti tra gli automi di piccole dimensioni erano le cosiddette scatole dei maghi. Un disco con incisa una domanda viene inserito in una fessura della scatola, sulla quale la minuscola figura di un mago prende vita e indica con la bacchetta uno spazio dove appare la risposta.
Tra i dispositivi meccanici più elaborati diffusi nel XVIII secolo vi sono i tableaux mécaniques, o quadri meccanici.
Questi paesaggi dipinti incorniciati, in cui figure, mulini a vento e così via prendono vita grazie a un meccanismo a orologeria nascosto. Furono popolari fino al XIX secolo. Un tableau progettato per Madame de Pompadour (1759; Conservatoire National des Arts et Métiers, Parigi) è un ottimo esempio di questo tipo di automi. Strettamente legati ai tableaux mécaniques sono i teatri meccanici, il più stravagante dei quali è stato costruito nei giardini di Hellbrunn, vicino a Salisburgo, in Austria. Costituito da 113 figure azionate idraulicamente, fu assemblato tra il 1748 e il 1752.
Ad eccezione di alcune opere di Peter Carl Fabergé (morto nel 1920), la produzione di costosi automi artistici è praticamente cessata tra la fine del XIX e l’inizio del XX secolo, a causa della diminuzione del numero di abili artigiani e di ricchi mecenati in grado di sostenerli. Il collezionismo, quindi, è riservato solo ai più ricchi. Questo costoso hobby è ancora servito dal commerciante che trova esempi sempre più rari di automi storici e da un piccolo corpo di artigiani altamente qualificati i cui servizi, a caro prezzo, mantengono gli oggetti in funzione.
Automi nel Novecento
Nel 1936 ci fu una grande rivoluzione in matematica. Questo è stato l’anno in cui Alan Turing ha inventato il concetto di un computer teorico chiamato Turing Machine.
Con l’arrivo dei computer programmabili negli anni ’40, iniziarono a prendere forma i primi veri robot. I primi robot come li conosciamo oggi furono creati da George Devol negli anni ’50. Ha inventato e brevettato un manipolatore riprogrammabile (fondamentalmente un robot) chiamato Unimate.
Negli anni ’60 Joseph Engelberger acquistò il brevetto Unimate e lo modificò in un robot industriale, vendendolo con l’etichetta “Unimation”. Era un braccio robotico programmabile che fu installato sette anni dopo, sulla catena di montaggio della New Jersey General Motors. Questo braccio eseguiva compiti pericolosi e ripetitivi sulla catena di montaggio. Per i suoi sforzi e il suo successo, Engelberger è conosciuto nel settore come “il padre della robotica”.
Nel 1966, lo Stanford Research Institute ha creato Shakey, il primo robot mobile multiuso in grado di ragionare sulle proprie azioni. Mentre altri robot dovrebbero essere istruiti su ogni singolo passaggio per completare un’attività più ampia, Shakey potrebbe analizzare i comandi e scomporli in blocchi di base da solo. Queste azioni prevedevano il viaggio da un luogo all’altro, l’accensione e lo spegnimento degli interruttori della luce, l’apertura e la chiusura delle porte, la salita e la discesa da oggetti rigidi e la spinta di oggetti mobili in giro.
Tre anni dopo, Victor David Scheinman, uno studente di ingegneria meccanica che lavora nello Stanford Artificial Intelligence Lab (SAIL), creò lo Stanford Arm. Il design del braccio è diventato uno standard per la progettazione dei futuri bracci robotici. In effetti, è ancora in uso oggi.
Nel 1974 ha aperto la propria azienda che ha prodotto il Silver Arm. Questo braccio era in grado di assemblare piccole parti insieme utilizzando sensori tattili.
Nel 1985 il primo robot, chiamato Puma350, è stato utilizzato in campo medico per la chirurgia. Il suo scopo era orientare un ago per una biopsia cerebrale sotto la guida della tomografia computerizzata. Successivamente è stato interrotto per problemi di sicurezza.
Più tardi, nel 1992, John Adler ha ideato il concetto di CyberKnife, un robot che immagina un paziente con raggi X per cercare tumori nel corpo.
Il 1997 è stato forse uno degli anni più importanti per la robotica. Era l’anno della missione Mars Pathfinder. Il robot Mars rover Sojourner è stato rilasciato sulla superficie di Marte e il suo compito era di trasmettere i dati alla Terra dal suolo marziano.
Nell’anno 1999, Sony ha rilasciato AIBO, un cane robotico con la capacità di imparare, intrattenere e comunicare con il suo proprietario.
Con ulteriori progressi tecnologici, i robot hanno iniziato a diventare sempre più autonomi. Nel 2002 è stato introdotto un lotto di robot SDR-4C, che ricordavano i volti delle persone, ballavano in discoteca e persino cantavano in armonia.
Ben presto, gli inventori iniziarono a creare robot più simili a quelli umani. Negli ultimi anni, nei robot sono state incorporate caratteristiche come i tessuti della pelle artificiale, le emozioni, la consapevolezza di sé e il pensiero autonomo.
Robothespian è una di queste macchine in grado di intrattenere e comunicare con le persone. È completamente interattivo e multilingue.
Nel 2015, Nadine, il robot più umano mai realizzato, è stato creato dalla Nanyang Technological University. Attualmente opera come receptionist universitaria. Gli scienziati stanno ancora lavorando su una nuova tecnologia che fornirà assistenza all’infanzia e offrirà amicizia agli anziani soli.
Forse il più grande successo nella robotica sono le tute robotiche denominate HAL (hybrid assistive limb). La HAL legge i segnali cerebrali e aiuta le persone che hanno problemi di mobilità, rendendolo estremamente utile per le persone disabili e gli anziani.
Tipi di automi, come funzionano
In generale, gli automi sono progettati per suscitare interesse attraverso il loro fascino visivo e poi per ispirare sorpresa e stupore attraverso l’apparente magia del loro movimento apparentemente spontaneo.
La maggior parte degli automi sono rappresentazioni dirette di creature e piante o di aspetti cinetici di fenomeni naturali. Alcuni automi consistono in scene complete in cui personaggi caricaturali si esibiscono in modo umoristico.
Non tutti gli automi, tuttavia, sono mimetici. Alcuni offrono solo un fascino visivo, come la rotazione di tondi incastonati di gemme per creare motivi lampeggianti di colore e luce.
Gli automi possono essere classificati in due gruppi: quelli che sono accessori a un articolo funzionale e quelli che sono di per sé oggetti di fantasia, solo per decorazione e piacere.
Gli orologi, che si prestano alla visualizzazione del movimento, sono il tipo più comune di oggetto funzionale con automi.
Nel corso dei secoli, la maggior parte degli automi sono stati oggetti di fantasia, puramente decorativi nel concetto e nella funzione. I più complicati sono gli androidi: figure in forma umana che possono essere fatte camminare, suonare, scrivere o disegnare. Sono per lo più di dimensioni piuttosto grandi e destinati all’esposizione pubblica. All’altro estremo della scala ci sono oggetti tascabili squisitamente rifiniti, come le pistole da trucco, che erano la specialità dei fratelli Rochat, Ami-Napoléon e Louis, entrambi tra i migliori progettisti e artigiani di automi del XIX secolo.
Gli automi funzionano quando gli viene dato un particolare insieme di ordini, distinti, o quelli che spesso vengono chiamati ingressi.
Gli ingressi sono sequenze di simboli selezionati da un insieme finito di segnali di ingresso. L’automa funzionerà ogni volta in un modo prescritto o predeterminato. Gli automi svolgono le loro funzioni in modi diversi, a seconda del tipo.
Tipi specifici di automi
Esistono quattro aree o tipi specifici di automi:
Macchina a stati finiti
Le macchine a stati finiti sono modelli di calcolo ideali per una piccola quantità di memoria. Inoltre, non mantengono la memoria. L’applicazione principale riguarda l’analisi dei problemi matematici. Una macchina a stati finiti è considerata il più semplice di tutti i tipi di automi.
Questo modello matematico di macchina può raggiungere solo un numero finito di stati e di transizioni tra questi stati. La sua applicazione principale è l’analisi dei problemi matematici. Le macchine finite sono utilizzate anche per scopi diversi dal calcolo generale, come il riconoscimento di linguaggi regolari.
Per comprendere appieno il concetto di macchina a stati finiti, si consideri l’analogia con un ascensore.
L’automa più semplice utilizzato per la computazione è un automa finito. Può calcolare solo funzioni molto primitive; pertanto, non è un modello di calcolo adeguato. Inoltre, l’incapacità di una macchina a stati finiti di generalizzare le computazioni ne limita la potenza.
Macchina pushdown
Si tratta di macchine a stati finiti dotate di una memoria aggiuntiva, chiamata pila.
I nuovi elementi vengono inseriti nella pila. Queste macchine possono fare più di una macchina finita, ma non quanto una macchina di Turing.
Macchina di Turing
Alan Turing, scienziato informatico di fama mondiale, concepì il primo modello “infinito” (o non limitato) di calcolo: la macchina di Turing, nel 1936, per risolvere il problema dell’Entscheindungsproblem, “un problema posto da David Hilbert nel 1928, all’interno dell’allora fervente dibattito sui fondamenti della matematica. Il problema consiste nel chiedere di esibire una procedura, eseguibile del tutto meccanicamente, in grado di stabilire, per ogni formula espressa nel linguaggio formale della logica del primo ordine, se tale formula è o meno un teorema della logica del primo ordine: in altri termini, se tale enunciato è o meno deducibile all’interno del sistema formale.”
La macchina di Turing può essere pensata come un automa finito o un’unità di controllo dotata di una memoria infinita. La sua “memoria” consiste in un numero infinito di celle monodimensionali. La macchina di Turing è essenzialmente un modello astratto dell’esecuzione e della memorizzazione dei computer moderni, sviluppato per fornire una definizione matematica precisa di un algoritmo o di una procedura meccanica.
Questo tipo di automa è il più avanzato. È in grado di cambiare i simboli e di simulare la memorizzazione e l’esecuzione del computer. Il calcolo ad alte prestazioni, l’apprendimento automatico e il test del software sono esempi che coinvolgono la complessità delle macchine di Turing.
Le macchine di Turing sono state uno dei primi modelli fondamentali che hanno portato alla moderna informatica.
Un esempio che illustra la differenza tra una macchina a stati finiti e una macchina di Turing:
Immaginiamo una moderna CPU. Ogni bit di una macchina può trovarsi in due soli stati (0 o 1). Pertanto, esiste un numero finito di stati possibili. Inoltre, se si considerano le parti di un computer con cui la CPU interagisce, esiste un numero finito di possibili ingressi dal mouse, dalla tastiera, dal disco rigido, dalle diverse schede di memoria, ecc.
Di conseguenza, si può concludere che una CPU può essere modellata come una macchina a stati finiti.
Consideriamo ora un computer. Sebbene ogni bit di una macchina possa trovarsi solo in due stati diversi (0 o 1), esiste un numero infinito di interazioni all’interno del computer nel suo complesso. Diventa molto difficile modellare il funzionamento di un computer all’interno dei vincoli di una macchina a stati finiti. Tuttavia, gli automi di livello superiore, infiniti e più potenti, sarebbero in grado di svolgere questo compito.
Automi con limiti lineari
È considerata un tipo ristretto di macchina di Turing. La computazione è limitata e opera all’interno di un’area finita e delimitata.
Le famiglie di automi di cui sopra possono essere interpretate in forma gerarchica, dove la macchina a stati finiti è l’automa più semplice e la macchina di Turing è la più complessa. Il progetto si concentra sulle macchine a stati finiti e sulla macchina di Turing. Una macchina di Turing è una macchina a stati finiti, ma non è vero l’inverso.
Come si creano gli automi
Creare automi non è troppo difficile, dal momento che sono disponibili diverse opzioni. Gli automi semplici, o macchine a stati finiti, sono i più facili da creare.
Costruire un automa è un modo eccellente per esplorare e comprendere il funzionamento di macchine che includono leve, assi e pulegge.
Gli automi più elementari possono essere costruiti utilizzando oggetti semplici come plastica, legno o cartone. Altri tipi di oggetti spesso utili per la costruzione di automi sono le cannucce per bere, gli spiedini di bambù, le forbici, la colla e i fermi di carta. Esistono diversi esempi e modi per realizzare automi interessanti ed educativi.
Esistono tipi di automi più complessi, tra cui gli automi cellulari. L’automa cellulare è una grande rete composta da diversi componenti semplici. L’informatica e una serie di sistemi complessi sono esempi di automi cellulari. Esempi di automi complessi sono la comprensione della crescita dei coralli e la deposizione e l’erosione della neve.
Quali sono le applicazioni degli automi?
Gli automi trovano diverse applicazioni pratiche. Con il progredire dell’automazione e dell’informatica, sono sempre più numerose le macchine che dimostrano gli automi moderni. Gli automi sono ora utilizzati anche per la verifica del software e dei dati strutturati.
Alcune delle applicazioni degli automi moderni sono le seguenti:
- correttori ortografici ed editor di testo
- progettazione di circuiti sequenziali
- implementazione di varie applicazioni di stack
- utilizzo nella programmazione geometrica
- applicazioni di robotica
- uso dell’intelligenza artificiale
- programmazione genetica.
Conclusioni
I robot stanno effettivamente facendo più bene che male in termini di miglioramento della nostra qualità di vita. Tra qualche anno, proprio come i telefoni cellulari, i robot potrebbero diventare parte integrante delle nostre vite. La domanda è: “è quello che vogliamo davvero?”.
“Una macchina può fare il lavoro di cinquanta uomini ordinari, ma nessuna macchina può fare il lavoro di un uomo straordinario”. (Elbert Green Hubbard)
