La sorprendente potenza atletica dei Quadcopter
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0:11 - 0:14Cosa significa per una macchina, essere agile?
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0:14 - 0:17Vi spiegheremo l'idea di agilità per una macchina
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0:17 - 0:19e la ricerca che l'ha resa possibile,
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0:19 - 0:22con l'aiuto di queste macchine volanti chiamate Quadrocopters
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0:22 - 0:24o, in breve, Quad.
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0:26 - 0:28I Quad esistono da diverso tempo,
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0:28 - 0:30ma il motivo che li ha resi così famosi ora
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0:30 - 0:32è che sono meccanicamente molto semplici.
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0:32 - 0:34Controllando la velocità di queste quattro eliche,
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0:34 - 0:39queste macchine possono ruotare lungo gli assi delle tre dimensioni dello spazio e accelerare.
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0:39 - 0:43Sopra sono integrati una batteria, un computer,
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0:43 - 0:47vari sensori e trasmettitori radio wireless.
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0:47 - 0:51I Quad sono estremamente agili, ma questa agilità ha un prezzo.
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0:51 - 0:53Sono intrinsecamente instabili
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0:53 - 0:58e hanno bisogno di un controllo a feedback per essere in grado di volare.
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1:04 - 1:07Come ha fatto?
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1:07 - 1:09Ci sono delle fotocamere sul soffitto e un computer
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1:09 - 1:11che assieme funzionano da GPS.
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1:11 - 1:14In questo modo si riescono a localizzare oggetti nello spazio
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1:14 - 1:16che hanno dei punti riflettenti.
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1:16 - 1:18Questi dati sono inviati ad un altro computer
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1:18 - 1:20che utilizza degli algoritmi di controllo e di stima
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1:20 - 1:22e uno alla volta restituiscono dei commandi al Quad
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1:22 - 1:26che a sua volta elabora queste stime.
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1:29 - 1:32Il grosso del lavoro nella nostra ricerca sta negli algoritmi.
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1:32 - 1:36È un po' la magia che dà vita a questo tipo di macchine.
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1:36 - 1:39Ma come può la progettazione di un algoritmo rendere queste macchine così agili?
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1:40 - 1:43Usiamo una progettazione comunemente chiamata 'model based design'.
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1:43 - 1:48Con un modello matematico delineiamo il comportamento fisico delle macchine.
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1:48 - 1:54Poi usiamo un ramo della matematica chiamato 'teoria del controllo' per analizzare questi modelli
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1:54 - 1:57e sintetizzare in algoritmi in grado di controllarle.
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1:57 - 2:00Per esempio, è così che riusciamo a far rimanere fermi in volo i Quad.
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2:00 - 2:02Prima modelliamo la dinamica,
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2:02 - 2:04con un insieme di equazioni differenziali
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2:04 - 2:06Poi le elaboriamo grazie alla teoria del controllo
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2:06 - 2:11per creare algoritmi che lo stabilizzino.
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2:11 - 2:14Vi dimostro la forza di questo approccio.
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2:17 - 2:19Immaginiamo non solo di voler tenere fermo in volo il Quad
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2:19 - 2:22ma di fargli tenere in equilibrio quest'asta.
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2:22 - 2:26Con un po' di esercizio, è abbastanza semplice farlo per un essere umano
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2:26 - 2:32Inoltre noi abbiamo il vantaggio di avere due piedi per terra, e un uso molto versatile delle nostre mani.
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2:32 - 2:38Diventa un po' più difficile quando ho solo un piede per terra e non uso le mani.
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2:40 - 2:43L'asta ha dei segni riflettenti sulla sommità,
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2:43 - 2:46il che la rende localizzabile nello spazio.
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2:52 - 2:57(Applausi)
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2:58 - 3:03Riuscite a vedere che il Quad sta effettuando una precisa regolazione per tenere l'asta in equilibrio.
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3:03 - 3:07Come siamo riusciti a progettare un algoritmo in grado di fare questo?
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3:07 - 3:10Abbiamo aggiunto il modello matematico dell'asta a quello del Quad.
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3:10 - 3:13Una volta creato il modello del sistema composto da Quad e asta assieme,
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3:13 - 3:17possiamo creare degli algoritmi in grado di controllarlo.
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3:18 - 3:20Vedete che è stabile
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3:20 - 3:26e anche dandogli dei colpetti ritorna in posizione d'equilibrio.
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3:28 - 3:29Possiamo anche estendere il modello
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3:29 - 3:32in modo da poter decidere la posizione del Quad nello spazio.
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3:32 - 3:35Usando questo indicatore, fatto di marcatori riflettenti,
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3:35 - 3:39posso decidere la direzione nella quale voglio che vada il Quad ad una certa distanza da me.
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3:55 - 3:58La chiave per queste manovre acrobatiche sono gli algoritmi
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3:58 - 4:02sviluppati con l'aiuto del modelli matematici e della teoria del controllo.
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4:03 - 4:06Riportiamo il Quad indietro e lasciamo cadere l'asta.
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4:07 - 4:13Ora vi dimostrerò l'importanza della comprensione del modello fisico e delle dinamiche del mondo reale.
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4:25 - 4:29Vedete che il Quad si è abbassato quando ci ho messo sopra il bicchiere d'acqua.
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4:29 - 4:31In questo caso, a differenza del caso dell'asta,
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4:31 - 4:34nel modello matematico non ho incluso il bicchiere nel sistema.
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4:34 - 4:37Infatti il sistema non sa che il bicchiere d'acqua si trova lì.
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4:37 - 4:42Come prima, uso il puntatore per indicare al Quad dove voglio che vada.
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4:45 - 4:51(Applausi)
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4:53 - 4:57Ok, vi dovreste stare chiedendo perché l'acqua non cada fuori dal bicchiere.
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4:57 - 4:58Ci sono due motivi:
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4:58 - 5:02il primo è che la gravità agisce su tutti gli oggetti allo stesso modo.
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5:03 - 5:08Il secondo è che le eliche puntano nella stessa direzione del bicchiere, ossia verso l'alto.
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5:08 - 5:13Mettete insieme le due cose, e il risultato è che le forze laterali sul bicchiere sono molto piccole
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5:13 - 5:16e sono principalmente dominate da effetti areodinamici
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5:16 - 5:19che a queste velocità sono trascurabili.
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5:23 - 5:25E questo è il motivo per cui non è necessario inserire il bicchiere nel sistema.
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5:25 - 5:29Non ne esce una goccia qualunque cosa faccia il Quad.
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5:38 - 5:43(Applausi)
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5:46 - 5:50Quello che c'è da capire è che alcune prestazioni elevate sono più facili di altre
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5:50 - 5:56e che capire la fisica che c'è dietro al problema ci dice quali sono facili e quali difficili.
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5:56 - 5:58In questo caso, portare un bicchiere d'acqua è facile
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5:58 - 6:01e tenere in equilibrio un'asta è difficile.
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6:02 - 6:06Tutti abbiamo sentito storie di atleti che hanno compiuto grandi prodezze mentre erano infortunati.
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6:06 - 6:10E una macchina può fare altrettanto, in caso di danni fisici?
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6:10 - 6:16La convinzione comune è che abbiamo bisogno di almeno quattro eliche a motore accoppiate assieme per volare
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6:16 - 6:18e questo perché ci sono quattro gradi di liberta nel controllo
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6:18 - 6:21ruotare nelle tre dimensioni e accelerare.
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6:21 - 6:24Gli Hexacopter e gli Octocopter hanno sei e otto eliche
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6:24 - 6:26che sono più di quelle che servirebbero
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6:26 - 6:27ma i Quadrocopter sono molto più popolari
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6:27 - 6:32proprio perché hanno il numero minimo di eliche a motore: quattro.
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6:32 - 6:34O no?
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6:49 - 6:52Se analizziamo il modello matematico di queste macchine
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6:52 - 6:54con solo due eliche funzionanti,
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6:54 - 6:58scopriamo che utilizzano un modo non convenzionale di volare.
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7:07 - 7:09Abbiamo perso il controllo attorno all'asse verticale
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7:09 - 7:12ma lungo gli altri due assi e in accelerazione possono ancora essere controllati
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7:12 - 7:17con algoritmi che cercano di trarre vantaggio proprio da questa nuova configurazione.
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7:21 - 7:24I modelli matematici ci dicono esattamente
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7:24 - 7:26quando e perché questo è possibile
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7:26 - 7:29In questo caso, saperlo ci permette di creare un'architettura insolita per una macchina
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7:30 - 7:34o elaborare algoritmi intelligenti che gestiscono con eleganza il danno subito
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7:34 - 7:36proprio come fa un'atleta,
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7:36 - 7:40invece di costruire robot con una dotazione eccessiva.
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7:40 - 7:42Non possiamo fare a meno di trattenere il fiato quando vediamo
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7:42 - 7:45un tuffo in acqua con salto mortale
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7:45 - 7:46o quando un ginnasta volteggia nell'aria
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7:46 - 7:48e si avvicina rapido a terra.
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7:48 - 7:51Il tuffatore ce la farà a fare un'entrata pulita in acqua?
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7:51 - 7:53E il ginnasta farà un atterraggio fermo?
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7:53 - 7:54Proviamo a far eseguire al Quad
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7:54 - 7:59un salto triplo, tornando nel punto esatto dove ha cominciato.
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7:59 - 8:01La manovra avverrà in modo talmente veloce
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8:01 - 8:05che non si può fare feedback per correggerla durante l'esecuzione.
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8:05 - 8:07Semplicemente non c'è abbastanza tempo per farlo.
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8:07 - 8:11Invece, quello che il Quad può fare è eseguire la manovra senza controllo esterno
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8:11 - 8:13e quando ha finito possiamo vedere com'è andata,
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8:13 - 8:16e usare quest'informazione per migliorare il suo comportamento
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8:16 - 8:18in modo da migliorare i salti successivi.
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8:18 - 8:20In modo molto simile al tuffatore e al ginnasta
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8:20 - 8:22è solo una questione di pratica
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8:22 - 8:24e la manovra può essere imparata ed eseguita
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8:24 - 8:26fino ad avere risultati migliori.
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8:34 - 8:39(Applausi)
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8:39 - 8:42In molti sport è necessario saper colpire una palla in movimento.
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8:42 - 8:44Come possiamo far eseguire ad un robot
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8:44 - 8:48quello che un atleta riesce a fare apparentemente senza sforzo?
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9:03 - 9:10(Applausi)
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9:10 - 9:13Il Quad ha una racchetta fissata sulla sommità
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9:13 - 9:16con il punto ottimale delle dimensioni all'incirca di una mela, quindi non molto grande.
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9:16 - 9:19Per effettuare la mossa che vediamo ora, l'elaborazione è fatta ogni 20 millisecondi
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9:19 - 9:21o 50 volte al secondo.
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9:21 - 9:24Prima cerchiamo di capire dove sta andando la palla.
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9:24 - 9:26Poi calcoliamo come il Quad dovrebbe colpirla
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9:26 - 9:29facendolo volare nella direzione dove è stata tirata la palla.
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9:29 - 9:34Terzo, viene calcolata una traiettoria che porta il Quad
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9:34 - 9:37dalla sua posizione attuale al punto dell'impatto con la palla.
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9:37 - 9:41Quarto, abbiamo solo 20 millisecondi in cui è valida questa strategia.
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9:41 - 9:44Venti millisecondi dopo, l'intero processo viene ripetuto
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9:44 - 9:46fino a che il Quad batte la palla.
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9:55 - 9:58(Applausi)
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9:58 - 10:01Queste macchine non riescono ad eseguire manovre dinamiche soltanto da sole
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10:01 - 10:03ma riescono a farlo anche assieme ad altre.
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10:03 - 10:07Questi tre Quad stanno sostenendo questa rete assieme
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10:16 - 10:21(Applausi)
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10:21 - 10:24Stanno eseguendo una manovra collettiva ed estremamente dinamica
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10:24 - 10:28per lanciarmi indietro la palla tutti assieme.
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10:28 - 10:31Nella loro massima estensione, i Quad si mettono in posizione verticale.
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10:36 - 10:38(Applausi)
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10:38 - 10:40Infatti quando la rete è completamente estesa,
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10:40 - 10:46è più o meno cinque volte quello che sente una persona che pratica bungee jumping alla fine del lancio.
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10:51 - 10:53Gli algoritmi in grado di fare queste cose sono molto simili
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10:53 - 10:57a quelli che il Quad usa quando mi rilancia la palla da solo.
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10:57 - 10:59I modelli matematici riescono ad aggiornare la strategia
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10:59 - 11:03dei Quad che agiscono cooperativamente 50 volte al secondo.
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11:04 - 11:06Tutto quello che avete visto finora
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11:06 - 11:08è reso possibile dalle macchine e dalle loro abilità.
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11:08 - 11:11Che succede quando associamo l'agilità di queste macchine
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11:11 - 11:13agli esseri umani?
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11:13 - 11:17Di fronte a me c'è un comune sensore di movimento
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11:17 - 11:19usato per riconoscere i gesti durante il videogioco.
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11:19 - 11:22Può riconoscere diverse parti del corpo in tempo reale.
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11:22 - 11:24Come per la bacchetta che ho usato prima,
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11:24 - 11:27possiamo usare il sensore come input del sistema.
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11:27 - 11:29Così avremo un modo più naturale per far interagire
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11:29 - 11:33i Quad con i miei movimenti.
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12:10 - 12:14(Applausi)
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12:23 - 12:27L'interazione non deve essere per forza virtuale. Può essere fisica.
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12:28 - 12:29Prendete questo quad, per esempio.
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12:29 - 12:33Sta cercando di stare in un punto fisso nello spazio.
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12:33 - 12:34Se provo a spostarlo dalla sua posizione,
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12:34 - 12:38oppone resistenza e ritorna a stare dove voleva essere.
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12:40 - 12:42Ma noi siamo in grado di modificare questo comportamento.
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12:43 - 12:48Possiamo usare dei modelli matematici per calcolare la forza che devo applicare al Quad.
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12:48 - 12:51Quando conosciamo questa forza, possiamo anche cambiare le leggi della fisica,
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12:51 - 12:54per quanto riguarda il Quad, ovviamente.
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12:56 - 12:59Ecco, qui il quad si sta comportando come se fosse in un fluido viscoso.
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13:02 - 13:06Ora abbiamo un modo intimo di interagire con una macchina.
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13:06 - 13:11Userò questa nuova funzionalità per posizionare questo Quad che trasporta una videocamera,
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13:11 - 13:14nella posizione appropriata per le riprese del resto di questa dimostrazione.
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13:24 - 13:29Così siamo in grado di interagire fisicamente con questi quad e siamo in grado di cambiare le leggi della fisica.
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13:29 - 13:31Divertiamoci un po' con questo.
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13:31 - 13:36Per ciò che vedrete tra poco, questi quad inizialmente si comporteranno come se fossero su Plutone.
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13:36 - 13:41Con lo scorrere del tempo, la gravità verrà aumentata fino a quando non saremo tutti tornati sulla Terra.
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13:41 - 13:43Ma vi assicuro che non arriveremo lì.
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13:43 - 13:45Ok, iniziamo.
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13:53 - 13:56(Risate)
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14:25 - 14:35(Applausi)
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14:35 - 14:38Probabilmente adesso starete pensando che questi ragazzi si divertono davvero troppo
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14:38 - 14:43e probabilmente vi state anche chiedendo, qual è il vero motivo per cui stanno costruendo macchine agili?
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14:43 - 14:49Alcuni ipotizzano che il ruolo del gioco nel regno animale sia quello di affinare le competenze e sviluppare le capacità.
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14:49 - 14:53Altri pensano che abbia più un ruolo sociale, usato per creare coesione.
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14:53 - 15:01In modo analogo, noi sfruttiamo l'analogia fra sport e agilità, per creare nuovi algoritmi per le macchine, con l'intento di spingerle al limite.
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15:01 - 15:04Quale impatto avrà la velocità delle macchine sul nostro modo di vivere?
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15:04 - 15:10Come tutte le nostre passate creazioni e innovazioni, potrebbero migliorare le condizioni di vita umane
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15:10 - 15:12o potrebbero essere usate impropriamente ed abusate.
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15:12 - 15:16Non ci troviamo di fronte a una scelta tecnica, ma sociale.
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15:16 - 15:20Facciamo la scelta giusta, la scelta che tira fuori il meglio per il futuro delle macchine,
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15:20 - 15:24proprio come l'agilità nello sport può tirare fuori il meglio di noi.
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15:24 - 15:28Lasciate che vi presenti le menti dietro tutto questo.
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15:28 - 15:31Sono i ricercatori del Flying Machine Arena research team.
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15:31 - 15:35(Applausi)
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15:35 - 15:39Federico Augugliaro, Dario Brescianini , Markus Hehn,
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15:39 - 15:41Sergei Lupashin, Mark Muller e Robin Ritz.
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15:41 - 15:43Seguiteli. Faranno grandi cose.
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15:43 - 15:44Grazie.
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15:45 - 15:48(Applausi)
- Title:
- La sorprendente potenza atletica dei Quadcopter
- Speaker:
- Raffaello D'Andrea
- Description:
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In un laboratorio robotico di TEDGlobal, Raffaello D'Andrea mostra i suoi Quadcopter volanti: dei robot che pensano come atleti, risolvendo problemi di fisica con algoritmi che li aiutano a imparare. In una serie di ingegnose dimostrazioni, D'Andrea mostra droni che giocano a palla, si tengono in equilibrio e prendono delle decisioni di gruppo - e fate attenzione alla demo dei Quad controllati tramite tecnologia Kinect in stile 'lo voglio subito'.
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 16:08
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Anna Cristiana Minoli
Non ho modificato i tempi del video, ma consiglio di evitare timing che comportano tre righe di sottotitolo alla volta. 3 secondi sono una media che può andare bene.