Unterwasserroboter verbindet menschliches Sehen und Fühlen mit der Tiefsee

21. Juli 2022

von Taylor Kubota, Stanford University

Als der Unterwasserroboter OceanOneK diesen Monat vorsichtig auf die Reling des Oberdecks des gesunkenen italienischen Dampfschiffs Le Francesco Crispi zusteuerte, etwa 500 m unter der Mittelmeeroberfläche (ungefähr eine Drittelmeile), hatte der Robotiker Oussama Khatib von der Stanford University das Gefühl, er selbst sei dort .

OceanOneK hat eine humanoide obere Hälfte und eine schlankere hintere Hälfte mit acht multidirektionalen Triebwerken, die ein vorsichtiges Manövrieren unter Wasser ermöglichen. Das haptische – oder berührungsbasierte – Feedbacksystem und die stereoskopische Sicht des Roboters erzeugten unglaublich realistische Empfindungen, die denen entsprachen, die er erlebt hätte, wenn er sich unten und nicht oben an Bord des Kontrollschiffs befunden hätte. Als er durch die Augen des OceanOneK-Roboters blickte und durch seine Hände tastete, nahm Khatib ein Kaleidoskop aus Leben wahr – rosa, grün und rostorange –, das sich auf und um das Schiff herum abspielte. Er spürte den Widerstand des Wassers und konnte die Formen und die Nähe des historischen Relikts um ihn herum erkennen.

„Man kommt dieser erstaunlichen Struktur sehr nahe und etwas Unglaubliches passiert, wenn man sie berührt: Man spürt sie tatsächlich“, sagte Khatib, Weichai-Professor an der School of Engineering und Direktor des Stanford Robotics Lab. „So etwas habe ich noch nie in meinem Leben erlebt. Ich kann sagen, dass ich derjenige bin, der den Crispi auf 500 m berührt hat. Und das habe ich getan – ich habe ihn berührt, ich habe ihn gespürt.“

Die Mission von OceanOneK in diese Tiefen hatte zwei Ziele: Orte zu erkunden, an denen noch niemand zuvor war, und zu zeigen, dass menschliche Berührung, Vision und Interaktivität an diese Orte gebracht werden können, die weit von den Orten entfernt sind, an denen Menschen operieren können.

Während OceanOneK auf zwei Reisen mit mehreren Stopps rund um das Mittelmeer viele bemerkenswerte Abenteuer und Erfolge erlebte, war die herausragende Leistung des Teams, zu dem Michel L'Hour, der ehemalige Direktor für Unterwasserarchäologieforschung im französischen Kulturministerium (DRASSM), und Vincent Creuze gehörten von LIRMM an der Universität Montpellier, Denis Degez und Franca Cibecchini von DRASSM sowie die Schiffsbesatzung – demonstrierten funktionale Autonomie in fast 1.000 m Tiefe. Dieser Fortschritt führte zur Umbenennung von OceanOne in OceanOneK.

„Dies ist das erste Mal, dass ein Roboter in der Lage ist, in eine solche Tiefe vorzudringen, mit der Umgebung zu interagieren und es dem menschlichen Bediener zu ermöglichen, diese Umgebung zu spüren“, sagte Khatib. „Es war eine unglaubliche Reise.“

Der Tauchgang im Februar zum Crispi war Teil einer Multi-Stopp-Tour durch das Mittelmeer für OceanOneK, die im September 2021 mit zwei Stopps in der Nähe von Marseille zu einem P-38 Lightning-Flugzeug aus dem Zweiten Weltkrieg in 40 m (ca. 130 Fuß) Höhe und einem U-Boot begann , Le Protée, auf 124 m (ungefähr 400 Fuß). Die dritte ging zu einem römischen Schiff aus dem 2. Jahrhundert in Aléria auf Korsika auf 334 m (fast 1100 Fuß) und die Crispi folgte als nächstes.

Die Suche nach geeignetem Wetter führte das Team dann nach Cannes. Dort wurde die Auslegerkamera des Roboters zum ersten Mal eingesetzt, um das Cockpit eines Beechcraft Baron F-GDPV-Flugzeugs zu betrachten, das sich in 67 m Tiefe (über 200 Fuß) befand. Der letzte Tauchgang erfolgte auf 852 m – mehr als eine halbe Meile tief –, wo das Team bei einer Pause zur Überprüfung des Triebwerks beunruhigenderweise feststellte, dass der Roboter nicht aufsteigen konnte. OceanOneK war voll funktionsfähig, aber die Schwimmkörper rund um die Kommunikations- und Stromleitung, die mit der Oberseite verbunden war, waren zusammengebrochen, so dass sich die lange, schwere Leitung auf der Oberseite des Roboters auftürmte. Indem sie den Durchhang einzogen, konnten sie den Tauchgang fortsetzen.

Zur Erinnerung brachte OceanOneK eine Gedenktafel auf dem Meeresboden an, auf der stand:

Die erste Berührung eines Roboters mit dem Tiefseeboden. Eine riesige neue Welt, die es für Menschen zu erkunden gilt

Die Expedition des OceanOneK-Roboters zur 1-km-Marke war lange in Arbeit. Es begann mit unzähligen Stunden Design, Experimentieren und Zusammenbauen mit anderen Teammitgliedern im Labor, Dutzenden Reisen zum Stanford-Pool zum Debuggen und unzähligen Lektionen, die es zu lernen galt, bevor man sich der Unvorhersehbarkeit der realen Welt stellte.

Der Vorgänger von OceanOneK, OceanOne, wurde für das Erreichen von Tiefen von höchstens etwa 200 m gebaut. Um den Roboter tiefer zu bringen, passten die Forscher seinen Körper mit einem speziellen Schaum aus Glasmikrokugeln an, der für Auftrieb sorgt und gleichzeitig dem immensen Druck in 1 km Tiefe standhält – einem Druck, der mehr als 100-mal so hoch ist wie auf Meereshöhe. Darüber hinaus waren die Arme des Roboters mit einem Öl- und Federmechanismus gefüllt, der das Öl auf den Außendruck komprimiert, um ein Zusammenbrechen zu verhindern und die Elektronik abzufedern. Die Forscher haben außerdem viele winzige Komponenten im gesamten OceanOne aktualisiert, um die Menge an komprimierbarer Luft in einzelnen Teilen zu minimieren und den Roboter so kompakt wie möglich zu halten.

OceanOneK verfügte über zusätzliche Verbesserungen, die die Vielseitigkeit seiner Arm- und Kopfbewegungen erhöhten, sowie über zwei neue Arten von Händen – eine entwickelt von Mark Cutkoskys Labor in Stanford und eine von Professor Antonio Bicchi von der Universität Pisa und dem Italian Institute of Technology, IIT.

Schwimmer im Avery Recreation Pool in Stanford haben in den letzten Jahren möglicherweise gesehen, wie OceanOneK ein Bad nahm, während Forscher verschiedene Manöver ausprobierten und mit Werkzeugen experimentierten. Zu den Werkzeugen gehörten Kisten zum Tragen von Gegenständen und die am Ausleger montierte Videokamera, die es ihnen ermöglichte, in enge und unzugängliche Räume zu sehen – Räume, in die der Roboter nicht gelangen konnte.

„Es waren viele Monate des Testens, während COVID, zweimal pro Woche“, sagte Adrian Piedra, ebenfalls ein Doktorand am Stanford Robotics Lab, während sie die Probleme wiederholten, bis alles – Berührung, Steuerung, Sicht – reibungslos funktionierte.

Diese Vorbereitung zahlte sich in vielerlei Hinsicht aus, insbesondere aber, als das Team während seiner ersten Expedition den behinderten Arm von OceanOneK reparieren musste. „Dazu musste der Roboter auf dem Deck des Bootes, nachts, bei Wind und während eines Sturms in Stücke gerissen werden“, sagte Khatib. „Unsere heldenhaften Schüler – Adrian Piedra und Wesley Guo – arbeiteten ununterbrochen daran, den Roboter zu reparieren.“ Laut Khatib überraschten ihre Beharrlichkeit, ihre Entschlossenheit und ihr letztendlicher Erfolg alle an Bord.

„Der Roboter verfügt über so viele Funktionen und so viele miteinander verbundene Komponenten, dass wir, wenn ein Teil kaputt ist, möglicherweise bis zu einem ganzen Tag für die Demontage, Reparatur und den Zusammenbau benötigen“, sagte Bo Kim, Absolvent des Stanford Robotics Lab, der mitgereist war mit OceanOne und arbeitete vom Campus aus für OceanOneK zusammen. „Für eine erfolgreiche Expedition muss alles zusammenpassen und gleichzeitig funktionieren, und das ist eine echte Herausforderung.“

In diesem Sommer hatte das Team nach einigen Schwierigkeiten bei den ersten Besuchen die zweite Chance, zum römischen Schiff und zur Crispi zu tauchen. Als sie zum ersten Mal mit dem römischen Schiff interagierten, hatte das Team versucht – war jedoch gescheitert –, eine Öllampe aus dem Schiff zu holen. Beim Crispi im Februar verhinderte ein Defekt im Arm den Einsatz der Boom-Kamera. Bei den Juli-Tauchgängen waren alle Systeme auf Hochtouren.

OceanOneK tauchte erneut zum römischen Schiff, dieses Mal unter Anleitung der Archäologen des Teams, und brachte erfolgreich eine Handvoll wertvoller antiker Vasen aus dem Römischen Reich hervor, darunter einige, die zuvor nicht in den Sammlungen von DRASSM zu sehen waren. Dies waren insofern außergewöhnliche Funde, als sie immer noch den Namen und das Etikett ihres Herstellers trugen, was die Vorteile einer sorgfältigen, extrem tiefen Artefaktbergung veranschaulicht.

Bei einem zweiten Tauchgang zur Crispi fuhr Khatib mit der Auslegerkamera in den zerbrochenen Rumpf des Schiffes hinein und achtete dabei darauf, die Bruchkanten nicht zu berühren. Der Meeresbiologe des Teams führte ihn und beobachtete gespannt, wie die äußeren Korallen den inneren Rustikeln – eiszapfenförmigen Rostformationen – Platz machten, die die Auswirkungen von etwa achtzig Jahren bakterieller Interaktion mit dem Schiffseisen zeigten.

Piedra sagte, dass er im Nachhinein begonnen habe, das Gesamtbild zu erkennen, wie groß die Herausforderungen waren, die sie gemeistert haben, und wie großartig die Arbeit ist, die sie geleistet haben.

„Wir reisen für die Expedition den ganzen Weg nach Frankreich und dort, umgeben von einem viel größeren Team mit den unterschiedlichsten Hintergründen, wird einem klar, dass das Teil dieses Roboters, an dem man in Stanford gearbeitet hat, tatsächlich Teil von etwas ist.“ viel größer“, sagte er. „Man bekommt einen Eindruck davon, wie wichtig das ist, wie neuartig und bedeutsam der Tauchgang sein wird und was das für die Wissenschaft insgesamt bedeutet.“

Das OceanOne-Projekt verkörpert nicht nur fortschrittliche Innovationen in den Bereichen Haptik, Unterwasserrobotik und Mensch-Roboter-Interaktion, sondern auch neue Möglichkeiten für Meereswissenschaften und Unterwassertechnikaktivitäten, wie etwa die Inspektion und Reparatur von Booten und Infrastruktur, einschließlich Brückenpfeilern und versunkenen Pipelines.

Weitere Expeditionen sind an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt geplant, einschließlich verlorener Städte, die in tiefen Seen, Korallenriffen und archäologisch bedeutsamen Wracks in Tiefen vergraben sind, die so weit außerhalb der menschlichen Reichweite liegen, dass OceanOneK eine einzigartige Gelegenheit bietet, die Vergangenheit zu verstehen.

„Menschen physisch von gefährlichen und unerreichbaren Räumen zu distanzieren und gleichzeitig ihre Fähigkeiten, Intuition und Erfahrung mit der Aufgabe zu verbinden, verspricht, die Fernarbeit grundlegend zu verändern“, sagte Khatib. „Roboter-Avatare werden nach Materialien suchen und diese beschaffen, Infrastruktur aufbauen und Katastrophenvorsorge- und Wiederherstellungseinsätze durchführen – sei es tief in Ozeanen und Minen, auf Berggipfeln oder im Weltraum.“