U na formica da sola è una delusione; non è affatto una formica in realtà”, scrisse Edward O. Wilson, probabilmente il più grande mirmecologo di tutti i tempi. Una formica agisce, ovvero reagisce all’ambiente, attraverso degli algoritmi decisionali individuali molto semplici, raffinati nel corso di milioni di anni di evoluzione. Un formicaio invece, nel suo insieme, è paragonabile a un organismo unitario (tecnicamente un “superorganismo”) capace di compiere scelte e operazioni assai complesse e intelligenti. Il superorganismo è dotato, per così dire, di un’intelligenza collettiva, un’intelligenza di sciame (swarm intelligence). Si tratta di un sistema auto-organizzato e decentrato che è – aristotelicamente e insieme scientificamente – un tutto maggiore della somma delle sue parti. Oggi biologi, fisici, ingegneri e computer scientist stanno cercando di indagarne i meccanismi, e hanno iniziato a dialogare tra loro. Il futuro, anche nel campo della robotica e dell’intelligenza artificiale, potrebbe arrivare, silenziosamente, da qui.

Stormi

“Lei è mai stato a Roma?” mi dice Irene Giardina, professoressa di Fisica all’Università la Sapienza. L’ho contattata per farmi spiegare il comportamento collettivo degli stormi di uccelli, che volano come fossero un corpo solo, senza avere un leader o un direttore d’orchestra; dinamiche simili – insomma – a quelle che si riscontrano nel formicaio. “Li avrà visti gli stormi di uccelli che volano sulla città? Non hanno una direzione precisa, tornano dalle loro giornate in campagna, e sorvolano un’area molto larga –siamo nell’ordine di qualche chilometro – intorno agli alberi su cui infine si poseranno per dormire. I loro movimenti sono perfettamente coordinati: quando virano lo fanno tutti insieme”. Allo stesso modo, tutti insieme, reagiscono alle perturbazioni o agli attacchi di predatori. “E lei potrebbe chiedermi: ma come fanno a virare tutti insieme? Chi li fa virare? Chi comanda? Gli stormi di uccelli sono un esempio tipico di comportamento collettivo emergente”.

La cosa interessante, per chi si occupa di fisica statistica, è che le regole generali dello stormo derivano dalle relazioni tra i singoli individui. “Interazioni locali, dunque, generano un ordine globale”. Irene Giardina e il suo team, da più di dieci anni, sfruttano la fotografia stereoscopica per registrare e codificare i movimenti in tre dimensioni degli stormi di uccelli in volo su Roma. Dunque: come fanno a virare tutti insieme? Chi li fa virare? Chi comanda?

Stormo di storni. Foto: COBBS Lab, ISC-CNR

“Quello che abbiamo visto analizzando i nostri dati sulle traiettorie degli uccelli è che c’è sempre un singolo individuo – ma non sempre lo stesso – che comincia a curvare per primo. I vicini cominciano a seguirlo, i vicini dei vicini fanno lo stesso e così via”. Ogni singolo uccello è in grado di tracciare, di tenere sotto controllo, i movimenti di un numero di vicini che varia da 7 a 8. Non c’è un disegno globale predefinito, insomma; piuttosto si tratta di imitazione tra vicini. In questo modo la velocità di propagazione dell’informazione risulta molto alta: varia dai 20 ai 40 metri al secondo. “Accade qualcosa di paragonabile nei materiali ferro-magnetici: quando il sistema si magnetizza tutti i momenti degli atomi si allineano, in seguito a interazioni locali. Potremmo dire – semplificando molto – che ogni atomo imita i suoi vicini”.

Robot

Il 5 febbraio 2017, a Houston, Texas, uno stormo di droni si è alzato in volo sopra la testa di Lady Gaga e degli spettatori che affollavano l’NRG Stadium durante l’Halftime Show del Superbowl: uno show di luci auto-gestito dagli stessi droni.



Dai cieli ai mari: la marina degli Stati Uniti d’America sta testando, da alcuni anni, uno sciame di imbarcazioni da guerra capaci di intraprendere offensive militari in maniera autonoma, ottimizzata, decentralizzata e auto-organizzata. Dai mari allo spazio: la NASA organizza ogni anno la “Swarmathon”, una competizione rivolta agli studenti in cui viene premiato il progetto di swarm robotics più promettente per l’esplorazione spaziale. Dallo spazio alle viscere del corpo umano: sciami di minuscoli robot potrebbero presto insinuarsi all’interno dei nostri corpi, un po’ come nel film del 1966 di Richard Fleischer, Fantastic Voyage (che in Italia è stato tradotto in Un viaggio allucinante); l’obiettivo, tra gli altri, è quello di dare la caccia alle cellule tumorali e neutralizzarle.

Tornando, infine, sulla superficie terrestre: ci sono sviluppi promettenti nella costruzione di sciami di robot da impiegare nelle missioni di salvataggio in ambienti impervi e pericolosi. O da utilizzare in agricoltura. O come “minatori” nell’industria estrattiva. O come giocatori sui campi da calcio: ogni anno si svolge la RoboCup una competizione tra squadre (swarm) di robot-calciatori; l’obiettivo dichiarato è che una squadra di automi umanoidi auto-organizzati vinca contro la squadra di calcio (di umani) campione del mondo, entro il 2050.

A questo punto è facile spingere sul pedale della distopia e figurarsi inquietanti scenari futuri in cui le macchine hanno imparato a fare rete, massa, swarm, a diventare – in un certo senso – animali sociali come noi, e infine – perché no? – traendo forza dalla loro unione, hanno deciso di ribellarsi a noi, ai loro creatori in carne e ossa e tessuto nervoso; e farci fuori, magari per il bene del pianeta Terra e dei suoi delicati ecosistemi.

Sciame di robot. Foto: Colias

“Se tutta l’umanità dovesse scomparire, le restanti forme di vita riprenderebbero vigore e prospererebbero”, scrisse Edward O. Wilson, in uno degli ultimi passaggi di Journey to the ants. “Cesserebbero le estinzioni di massa attualmente in corso, gli ecosistemi danneggiati guarirebbero e si espanderebbero. Se per qualche ragione scomparissero tutte le formiche, l’effetto sarebbe esattamente l’opposto, e catastrofico”. Il volume vede la firma di un altro gigante della mirmecologia mondiale, Bert Hölldobler, ed è stato pubblicato in Italia da Adelphi, con il titolo di Formiche, nel 1997. La curatela del libro e la sua traduzione sono state affidate al professor Donato Grasso, che è un etologo dell’Università di Parma e che ha pubblicato nel 2018, per Zanichelli, Il formicaio intelligente. Raggiungo anche lui al telefono.

Formicai

Grasso mi racconta che le formiche vivono in ambienti naturali diversissimi: dalle foreste intorno all’Artico fino all’Amazzonia, dagli ecosistemi tropicali ai marciapiedi delle metropoli. Prese nel complesso, tutte le formiche del mondo peserebbero – secondo alcune stime – come tutti gli esseri umani (una formica operaia pesa, in media, tra 1 e 5 milligrammi, a seconda della specie).

Le formiche tagliafoglie, che popolano una fascia di territorio tra Texas e Messico, costruiscono i propri nidi smuovendo fino a 40 tonnellate di terreno e realizzando un intricato ed efficientissimo sistema di cunicoli, stanze, gallerie, “cantine” con il giusto grado di umidità per la conservazione delle foglie tagliate (da cui si svilupperanno funghi, che poi costituiranno il principale nutrimento della colonia…una forma di agricoltura, insomma), sistemi di aerazione, uscite, entrate, comignoli. Fanno tutto questo senza seguire nessun progetto globale, senza nessuna struttura gerarchica, senza nessun direttore dei lavori che impartisce gli ordini, senza alcun supervisore. In maniera decentralizzata e auto-organizzata, appunto.

“Tra gli ingegneri che si sono interessati al comportamento collettivo delle formiche, uno dei primi è stato un italiano”, mi dice Grasso. “Si chiama Marco Dorigo, e ora insegna a Bruxelles. Alla fine degli anni Novanta ha elaborato un algoritmo, che ha denominato Ant Colony Optimization. Si ispira al comportamento delle colonie di formiche. Serve per risolvere problemi di ottimizzazione matematica”. Dunque software. Poi si è passati all’hardware: “sciami di robot che agiscono in maniera auto-organizzata sulla base di algoritmi che riproducono il comportamento delle formiche”.

Così l’ultima telefonata per dare forma a questo articolo – che è un piccolo carotaggio all’interno di un tema vastissimo complesso, intricato e affascinante – è stata, appunto, al professor Dorigo, che ha da poco organizzato l’undicesima conferenza internazionale dedicata alla swarm intelligence, all’incrocio tra biologia, fisica, computer science e robotica.

Algoritmi

“Mi sono appassionato di formiche ormai trent’anni fa. Stavo lavorando alla tesi di dottorato e avevo iniziato a occuparmi di intelligenza artificiale. Erano i primi tempi in cui si parlava di algoritmi genetici, di computazione evolutiva, di reti neurali, di machine learning, di reinforcement learning”, ovvero educare le macchine un po’ come si fa con gli animali: gli si dà un premio quando fanno la cosa giusta, una punizione quando sbagliano. “Soprattutto, c’era nell’aria questa idea: gli esperti di computer science devono tornare a osservare la natura, per trarne spunti e ispirazione”.

Formiche tagliafoglie. Foto: Jonathan Fildes

Dorigo partecipò così a un workshop interdisciplinare con un team di biologi. “Ci spiegarono come le formiche, depositando tracce chimiche sul terreno, siano in grado di auto-organizzarsi in un sistema complesso e senza struttura gerarchica”. E di trovare, ad esempio, la via più breve tra il loro nido e la sorgente di cibo; di individuare il luogo migliore per un trasloco; di intrecciare i loro corpi in una struttura galleggiante simile a una zattera per sopravvivere alle alluvioni. “Fu illuminante. Pensai che osservando le formiche si sarebbero potuti risolvere problemi di ottimizzazione matematica”.

Le formiche però hanno raffinato questi meccanismi in decine di milioni di anni di evoluzione. “Sì; e noi non abbiamo tutto questo tempo. Inoltre, quello che fanno le formiche, ridotto all’osso, è sopravvivere nel loro ambiente; a noi, invece, serve molta più flessibilità: vogliamo chiedere ai robot di fare più cose, ed esattamente le cose che vogliamo noi. A questo aggiungi che l’hardware delle formiche – con hardware intendo corpo – è molto più sofisticato di quello dei nostri robot. Insomma, vogliamo fare cose molto difficili, con dei limiti di partenza molto importanti”.

Timidamente, gli chiedo se può accadere che questi gruppi organizzati di automi, a un certo punto, possano rendersi autonomi da noi. “C’è una specie di paura latente e diffusa” mi risponde, come a un’obiezione già più volte sentita, “basata sull’idea che i robot, in generale, possano sviluppare una coscienza, diventare indipendenti in breve tempo e sfuggire alla nostra capacità di controllo. Ma chi lavora su tutto questo quotidianamente sa che per ora è pura fantascienza. Un vero problema, al presente, può essere che lo sciame di 1000/1200 robot che tu hai programmato non si comporti esattamente nel modo che avevi preventivato”. Ma si tratta, al massimo, del fatto che lo sciame non faccia niente di utile. “Che faccia qualcosa di consapevole, di volutamente cattivo, allo stato attuale – ripeto – è pura fantascienza”.

Prima di salutarlo gli chiedo che aspetto ha il laboratorio in cui lavora. “Se si esclude un piccolo formicaio che un mio studente cinese si è fabbricato in ufficio, è un normalissimo ambiente pieno di computer e di altre cose che non si muovono, a meno che non sia tu a ordinarglielo”.