ZERO ROBOTICS. IL FUTURO È NELLO SPAZIO

INTRODUZIONE

MARCO GOIA

Grazie per averci invitato a presentare il nostro progetto. Mi chiamo Marco Goia, sono docente di informatica presso l’Istituto statale Giulio Natta di Rivoli, in provincia di Torino. Seguo da 6 anni il progetto Zero Robotics, sono qui ad introdurre i miei studenti, perché i veri attori sono loro, io sono il mentore, il coordinatore del progetto. Ho quindi voluto che fossero loro, in prima persona, a spiegarvi in dettaglio il progetto. Gli studenti sono Matteo D’Elia e Iris Vogna. A loro la parola.

MATTEO D’ELIA

Mi associo ai ringraziamenti che il professore ha fatto agli organizzatori di questa giornata per l’invito e la possibilità che ci è stata data di presentarvi questa nostra attività. Sono Matteo d’Elia, studente del quarto anno del Liceo Scientifico Scienze Applicate Giulio Natta di Rivoli. Partecipo alle attività di Zero Robotics dal 2015. Inizialmente, come chiunque si approcci per la prima volta a una nuova realtà, ho molto imparato dal lavoro dei compagni più grandi, poi dal 2016 sono diventato team leader, caposquadra, e dal 2017, quindi dalla competizione che si è appena conclusa, anche head programmer, una figura che si occupa della parte di programmazione. Prima di iniziare con la presentazione vorrei farvi vedere un piccolo filmato, è il trailer con cui la NASA ha voluto lanciare in grande stile questa competizione

Bene io vi illustrerò che cos’è il progetto Zero robotics nelle sue linee generali e cosa noi siamo chiamati a fare all’interno di questo progetto, dopodiché passerò la parola a Iris, che partecipa al progetto dal 2016, e che, rispetto a me, è più impegnata nella parte strategico-matematica. Lei vi racconterà un po’ più in dettaglio l’organizzazione della squadra della nostra scuola. Dopodiché, prima che lei vi faccia vedere un altro paio di immagini, vi mostreremo un piccolo filmato che documenta il nostro lavoro degli ultimi anni. Quindi io farò ancora un intervento di pochi istanti in cui vi presenterò alcuni punti che, pur non essendo totalmente legati alla parte tecnico-scientifica del torneo, rappresentano alcune competenze e valori che noi crediamo siano importanti, perché, per noi che partecipiamo e lavoriamo a progetti di questo tipo, sono impulsi importanti alla nostra crescita.

IL PROGETTO ZERO ROBOTICS

MATTEO D’ELIA

Che cos’è Zero Robotics

Zero robotics è una competizione di programmazione robotica, nello specifico i robot di questa competizione sono rappresentati dagli Spheres, i satelliti che vedete nel logo di Zero robotics. Sono dei satelliti fisici, reali, che si trovano a bordo della Stazione Spaziale internazionale.

Vedremo dopo nel dettaglio cosa sono questi satelliti e come operano.

Cosa facciamo noi? Noi dobbiamo creare un codice, utilizzando il linguaggio C, che dovrà essere orientato allo svolgimento di una missione che ci viene proposta ogni anno dall’organizzazione. Lavoriamo inizialmente in un ambiente virtuale; immaginatevi un piccolo sito web dove noi possiamo, di giorno in giorno, andare a fare delle modifiche, degli aggiornamenti al nostro programma e vedere una serie di partite, di sfide, che sono state simulate durante la notte, in modo da capire quali siano i punti da migliorare.

Dopo il superamento di varie fasi eliminatorie, di cui dopo vedremo la tempistica, c’è una competizione finale, fra le squadre finaliste, che viene sviluppata direttamente a bordo della Stazione Spaziale, sempre un ambiente virtuale ma con una diretta supervisionata dagli Astronauti di turno.

Il torneo viene organizzato grazie anche alla collaborazione del MIT di Boston, Massachusetts Institute of Technology, che promuove due diversi programmi:

1. il primo, quello di cui parliamo oggi, è un torneo aperto alle scuole secondarie di 2° grado, o equivalenti, di molti Paesi- Stati Uniti d’America, Paesi membri della Comunità Europea, Russia e Australia- e si sviluppa. da settembre a dicembre. E’ un torneo competitivo.
2. Il secondo programma, di cui oggi non parleremo perché non è rivolto a noi, è interno agli Stati Uniti e solo per le scuole secondarie di 1° grado. In quel contesto viene utilizzato questo gioco come forma alternativa per avvicinarsi al mondo della programmazione informatica nello spazio.

I tornei sono chiaramente gratuiti per ogni scuola partecipante a patto di essere in grado di formare una o più squadre che vadano da 5 a 20 ragazzi, supervisionati da un docente responsabile.

Gli obiettivi di Zero Robotics

Gli obiettivi sono quelli che già citavo prima.

Ci viene fornita una missione verso settembre, ed è sempre, come dicevo, una missione virtuale, ma comunque ispirata ad un problema di reale interesse per DARPA, NASA e MIT. Ad esempio nel 2015 era legata allo scatto di foto allo scopo di spionaggio, nel 2016 alla raccolta di oggetti virtuali e al loro assemblaggio, nel 2017 alla ricerca di forme di vita, con il prelievo di campioni.

Abbiamo naturalmente bisogno di poter controllare il nostro satellite sotto ogni aspetto: la velocità di reazione, la direzione di viaggio e la rotazione. Dobbiamo saper scomporre la missione in senso ampio in tanti piccoli problemi, ad esempio muoversi, raccogliere oggetti virtuali e completare dei piccoli compiti che daranno un punteggio nella simulazione.

Dobbiamo anche affrontare delle limitazioni verosimili, anch’esse assunte dall’ambiente reale. Sono per esempio il carburante, l’energia e alcune limitazioni di tempo e memoria per il nostro codice.

Un aspetto molto importante, che spesso viene tralasciato e dato per scontato, è il fatto che noi non abbiamo a disposizione una PlayStation o un joystick con cui possiamo controllare in tempo reale i movimenti, questo non fa assolutamente parte della competizione, il programma deve essere autonomo quindi il codice contiene al suo interno delle condizioni che vengono programmate da noi e che lo rendono adattabile e autonomo, rispetto a qualunque situazione venga a crearvi.

I satelliti, Spheres, cosa sono e come si muovono

Come dicevo prima, questi che vedete nella foto sono i satelliti, Spheres, ce ne sono tre fondamentalmente sulla ISS, International Space Station, che sono stati lanciati in una prima versione originaria nel 2006, a cui sono seguiti degli aggiornamenti. Quella che vedete nelle foto è già una versione più avanzata ed è quella attualmente in uso per la competizione.

Ora in breve e in modo molto semplice il movimento delle spheres. Sono satelliti in grado di ruotare e spostarsi in ogni direzione Usano 12 propulsori a diossido di carbonio, la comune CO2, operano grazie al terzo principio della dinamica, il principio di azione e reazione, quindi calcoleranno in base alla posizione-obiettivo qual è lo spostamento, la forza che devono avere e tenteranno un’ espulsione di questa anidride carbonica dal propulsore opposto in modo che la spinta vada nella direzione corretta. Ricevitori ad ultrasuoni consentono ai satelliti di determinare la loro posizione.

Il programma dei tornei

Vediamo ora la tempistica di tutta l’organizzazione:

• Settembre.
  A settembre c’è la presentazione e ci viene assegnata la missione. Si iscrivono le squadre, negli ultimi anni si sono iscritte circa 200 squadre. C’è una fase bidimensionale, che è una fase di pratica, di addestramento, che non prevede nessuna eliminazione di squadra, a patto di non pubblicare nulla.

• Ottobre.
  Ad ottobre si ha una fase tridimensionale, che è la prima fase eliminatoria; a fine mese vengono selezionate le prime 84 squadre che passeranno il turno.

• Novembre.
  Ai primi di novembre le squadre selezionate sono chiamate ad un evento di formazione delle alleanze. La natura della competizione ci impone infatti di allearci con delle squadre che provengano da continenti diversi, questo per favorire la cooperazione internazionale, in uno spirito di internazionalizzazione del torneo. Si apre ufficialmente la fase delle alleanze, costituite da 3 squadre, che terminerà a fine mese con il passaggio del turno da parte di 14 alleanze.

• Dicembre.
  Nei primi giorni di dicembre le 14 alleanze devono mettere a punto il loro codice finale, consegnarlo e poi disputare le finali.

• Gennaio.
  A gennaio si è a bordo della Stazione Spaziale.

Le finali in 3 siti in 3 continenti

Vediamo come vengono operativamente organizzate le finali nei 3 continenti.

Vengono predisposte delle location, una per ognuno dei tre continenti coinvolti. Una sede dove noi possiamo seguire la competizione attraverso l’organizzazione di un sito,.

Negli Stati Uniti è stato sempre, per ovvie ragioni, il MIT di Boston perché la parte di organizzazione e supporto di squadra è tutta loro, e loro è tutto il merito.

In Europa il centro principale è sempre stato l’ESTEC, European Space Research and Technology Centre, ad Amsterdam, che sviluppa dei test di ricerca su tecnologie che saranno lanciate nello spazio. Le uniche due eccezioni sono state nel 2015 in cui l’evento è stato in un centro di Bruxelles e nel 2017 con lo spostamento al Politecnico di Torino. Quest’ultimo cambio è avvenuto a gennaio 2017 quando l’ESA ha deciso di sospendere momentaneamente l’organizzazione del collegamento europeo per le finali, così il Politecnico di Torino ha avuto l’onore e l’onore di ospitare l’evento delle finali e le squadre europee finaliste.

In Australia è l’Università di Sydney che supporta le squadre australiane e organizza le finali.

Lascio ora la parola a Iris che vi illustrerà la parte più organizzativa della nostra squadra.

IRIS VOGNA

L’organizzazione della squadra

Per quanto riguarda l’organizzazione della squadra noi abbiamo tre principali figure di riferimento, due docenti e uno studente. In particolare:

• Team main mentor. Docente di riferimento responsabile della squadra, è un docente di informatica, con esperienza in programmazione. Secondo il codice etico, non può intervenire nella stesura del codice.

• Team Mentor. Altro docente supervisore della squadra, non più di informatica, ma di Matematica o Fisica. Supporta la squadra nelle altre aree scientifiche coinvolte nella Competizione.

• Team Leader. La terza figura, il team leader, è uno studente. Il capo squadra non ha un ruolo sovraordinato rispetto a tutti gli altri studenti, ma deve essere dotato di capacità organizzative e deve saper coinvolgere la squadra dal punto di vista motivazionale. Si occupa anche del collegamento con gli organizzatori di Boston per la consegna del codice finale.

Per quanto riguarda invece i ruoli interni alla squadra, non si identificano delle vere e proprie gerarchie, ma dei gruppi funzionali, che sono 3:

• Gli strateghi. Un gruppo gestisce la strategia, sono gli strateghi, quelli che devono formulare una strategia di gioco che possa risultare vincente, consultandosi tra loro, realizzando a volte più strategie, confrontandole tra loro e anche con quelle degli avversari, in modo da poter capire quali possono essere i punti più forti per una strategia vincente.

• I matematici. Un secondo gruppo realizza un modello fisico sulla base delle strategie formulate dagli strateghi, quindi deve sviluppare le funzioni matematiche e fisiche utili alla competizione. Una volta realizzato il modello non resta che scrivere il codice.

• I programmatori. La realizzazione del codice è opera del 3° gruppo, i programmatori. In genere su una squadra di 15-20 persone sono circa 3 quelli che si occupano di scrivere il codice in linguaggio C e che devono conoscere le funzioni specifiche dell’ambiente su cui poi andranno ad operare.

La partecipazione e i successi del nostro Istituto

Il nostro Istituto partecipa alla competizione di Zero robotics dal 2012. Siamo sempre giunti, per 6 anni consecutivi, alla fase finale e abbiamo qualificato una squadra in tre competizioni, e ben due squadre nelle tre successive competizioni, raggiungendo due volte le finali virtuali, tre volte le finali direttamente in collegamento con la stazione spaziale internazionale.

MATTEO D’ELIA

Il limite di 25 squadre per nazione e l’Italia…

Mi ricollego solo per un attimo a quello che diceva Iris, con una precisazione.

Sebbene la competizione sia aperta a tutte i Paesi membri dell’ Esa, viene imposto un limite di 25 squadre per ogni nazione.

L’Italia, oltre ad essere l’unica nazione che sviluppa anche un campionato nazionale. E’ infatti l’unica ad avere un numero di richieste superiori a 25, quindi è necessario fare una preselezione nazionale organizzata tra giugno e luglio, per determinare le squadre che faranno parte del torneo internazionale.

Ciò che si apprende al di là della la competizione

Come dicevo prima, al di là di quello che è l’aspetto tecnico del torneo, è importante sottolineare anche una serie di altre competenze e altri valori che vengono sviluppati quando partecipiamo a questi tornei. Con questo voglio sottolineare che non bisogna relegare Zero robotics a qualcosa di puramente tecnico informatico, perché si acquisiscono anche tante altre competenze: la capacità di scomporre un problema per risolverlo, l’elaborazione di una strategia, la lettura e comprensione del manuale d’istruzioni. C’è l’acquisizione di una grande autonomia da parte degli studenti, perché è vero che c’è il docente mentore sempre a nostra disposizione per supportarci, ma noi siamo comunque autonomi a livello di squadra. La stesura del codice è nostra, non ci sono professori a scrivere il codice, sarebbe contro la nostra etica, la nostra visione personale. Non seguiamo dei corsi per prepararci a questa competizione, prendiamo i tutorial da Internet, lavoriamo sul materiale didattico che ci viene fornito dal MIT, che è rigorosamente in inglese, così come tutta la comunicazione e lo svolgimento del torneo. Impariamo e ci diamo una mano l’uno con l’altro rispetto alle cose da apprendere. C’è un bello spirito di gruppo, ci si incontra anche, e soprattutto, fuori da scuola, abbiamo collegamenti con la messaggistica istantanea ma anche in videoconferenza, cartelle condivise e quant’altro.

E’ poi particolarmente importante l’alleanza internazionale. Noi evitiamo sempre atteggiamenti opportunistici, per esempio approfittando e delegando le cose da fare. Abbiamo sempre cercato, e finora ci siamo riusciti, di avere un ruolo chiave all’interno dell’alleanza, quindi di collaborare, e a volte fare anche di più di quello che fanno le altre squadre. Sono presenti dei forum di discussione ufficiali sul torneo e c’è anche spirito di collaborazione con le squadre straniere non alleate, scambiandosi idee e suggerimenti sui problemi e sulle difficoltà che possono nascere. Anche in un ambiente competitivo ci si può aiutare e costruire conoscenze ed amicizie.

IRIS VOGNA

Le nostre squadre

Tornando alla nostra esperienza personale, qui sono riportate le foto delle squadre che hanno partecipato negli anni precedenti, sono state scattate nel cortile esterno del nostro istituto, sono state pubblicate anche sul giornale locale della nostra città.

Io l’anno scorso ho partecipato come stratega per la prima volta, quest’anno invece mi sono cimentata di più sulla parte di programmazione.

Questa è la squadra che ha partecipato alla competizione dell’anno scorso, la foto che si vede è stata scattata al centro ESA che si trova in Olanda. Abbiamo partecipato in diretta con la stazione spaziale internazionale.

Ogni anno quando si partecipa alla finale è richiesto di realizzare un video sulla strategia di gioco utilizzata per quell’anno, adesso vi facciamo vedere il video che abbiamo realizzato l’anno scorso.

Per quanto riguarda il numero di iscrizioni alla competizione, nel nostro Istituto abbiamo deciso di formare due squadre costituite da 20 elementi. La suddivisione delle squadre non è avvenuta assolutamente in base alle competenze o alle attitudini personali, ma è stata semplicemente effettuata in base all’età anagrafica. Abbiamo formato una prima squadra costituita da studenti frequentanti il quarto anno principalmente, comunque con un’età più avanzata rispetto agli studenti che hanno formato la seconda squadra. Abbiamo deciso di effettuare questa divisione, per dare continuità all’esperienza, e avere la garanzia di mantenere vivo l’interesse del progetto di Zero robotics all’interno del nostro Istituto.

MARCO GOIA

Iris e Matteo sono stati molto esaustivi e hanno detto praticamente tutto.

C’è anche una slide finale che descrive gli obbiettivi per i docenti. E’ un progetto trasversale, che interviene su più discipline, quindi si ha l’opportunità di avere una visione a 360°. Inoltre c’è la possibilità di vivere in un contesto internazionale, imparare meglio l’inglese, per esempio. I vantaggi sono tanti e il nostro obbiettivo è vivere bene questi progetti e dare nuove opportunità ai nostri ragazzi. Non è solo una questione di eccellenza, certo devono essere bravi, ma è anche un discorso di collaborazione, di lavoro in team, in sostanza di stare bene insieme.