Tauchroboter erkundet Schiffswracks auf dem Meeresgrund

May 05, 2023

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Ein an der Stanford University in Kalifornien entwickelter Roboter taucht auf eine Weise zu Schiffswracks und versunkenen Flugzeugen hinab, wie Menschen es nicht können. Der als OceanOneK bekannte Roboter gibt seinen Bedienern auch das Gefühl, Unterwasserforscher zu sein.

OceanOneK ähnelt von vorne einem menschlichen Taucher, mit Armen, Händen und Augen, die eine 3D-Sicht haben und die Unterwasserwelt in voller Farbe einfangen.

Auf der Rückseite des Roboters befinden sich Computer und acht multidirektionale Triebwerke, die ihm helfen, die Stellen zerbrechlicher versunkener Schiffe vorsichtig zu manövrieren.

Wenn ein Bediener an der Meeresoberfläche OceanOneK mithilfe von Steuerelementen steuert, sorgt das haptische (berührungsbasierte) Feedbacksystem des Roboters dafür, dass die Person den Widerstand des Wassers sowie die Konturen von Artefakten spürt.

Die realistischen Seh- und Tastfähigkeiten von OceanOneK reichen aus, um Menschen das Gefühl zu geben, in die Tiefe zu tauchen – ohne die Gefahren oder den immensen Unterwasserdruck, den ein menschlicher Taucher erleben würde.

Der Robotiker Oussama Khatib von der Stanford University und seine Studenten taten sich mit Tiefseearchäologen zusammen und begannen im September, den Roboter auf Tauchgänge zu schicken. Das Team hat im Juli gerade eine weitere Unterwasserexpedition abgeschlossen.

Bisher hat OceanOneK ein versunkenes Flugzeug vom Typ Beechcraft Baron F-GDPV, das italienische Dampfschiff Le Francesco Crispi, ein römisches Schiff aus dem zweiten Jahrhundert vor Korsika, ein P-38 Lightning-Flugzeug aus dem Zweiten Weltkrieg und ein U-Boot namens Le Protée erkundet.

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Der Crispi liegt etwa 500 Meter unter der Oberfläche des Mittelmeers.

„Man kommt dieser erstaunlichen Struktur sehr nahe, und wenn man sie berührt, passiert etwas Unglaubliches: Man spürt sie tatsächlich“, sagte Khatib, Weichai-Professor an der Stanford 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 Metern berührt hat. Und das habe ich getan – ich habe ihn berührt, ich habe ihn gespürt.“

OceanOneK könnte nur der Anfang einer Zukunft sein, in der Roboter Unterwassererkundungen übernehmen, die für Menschen zu gefährlich sind, und uns dabei helfen, die Ozeane auf eine völlig neue Art und Weise zu sehen.

Die Herausforderung bei der Entwicklung von OceanOneK und seinem Vorgänger OceanOne bestehe darin, einen Roboter zu bauen, der einer Unterwasserumgebung und dem immensen Druck in verschiedenen Tiefen standhalten könne, sagte Khatib.

OceanOne feierte 2016 sein Debüt und erkundete das zerstörte Flaggschiff von König Ludwig XIV., La Lune, das 328 Fuß (100 Meter) unter dem Mittelmeer 20 Meilen (32 Kilometer) vor Südfrankreich liegt. Das Schiffswrack von 1664 blieb von Menschen unberührt.

Der Roboter barg eine Vase von etwa der Größe einer Grapefruit und Khatib spürte die Empfindungen in seinen Händen, als OceanOne die Vase berührte, bevor er sie in einen Bergungskorb legte.

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Die Idee zu OceanOne entstand aus dem Wunsch heraus, Korallenriffe im Roten Meer in Tiefen zu untersuchen, die über den für Taucher normalen Bereich hinausgehen. Das Stanford-Team wollte etwas schaffen, das einem menschlichen Taucher so nahe wie möglich kommt und künstliche Intelligenz, fortschrittliche Robotik und haptisches Feedback integriert.

Der Roboter ist etwa 1,5 Meter lang und sein Gehirn kann registrieren, wie vorsichtig er mit einem Objekt umgehen muss, ohne es zu zerbrechen – etwa Korallen oder vom Meer verwitterte Artefakte. Ein Bediener kann den Bot steuern, er ist jedoch mit Sensoren ausgestattet und mit Algorithmen ausgestattet, sodass er autonom funktionieren und Kollisionen vermeiden kann.

Während OceanOne für eine maximale Tiefe von 656 Fuß (200 Meter) konzipiert war, hatten die Forscher ein neues Ziel: 1 Kilometer (0,62 Meilen), daher der neue Name für OceanOneK.

Das Team veränderte den Körper des Roboters, indem es Spezialschaum mit Glasmikrokugeln verwendete, um den Auftrieb zu erhöhen und dem Druck von 1.000 Metern entgegenzuwirken – mehr als das Hundertfache dessen, was Menschen auf Meereshöhe erleben.

Die Forscher rüsteten die Arme des Roboters mit einem Öl- und Federmechanismus auf, der eine Kompression beim Abstieg in die Meerestiefen verhindert. OceanOneK verfügt außerdem über zwei neue Arten von Händen und eine verbesserte Arm- und Kopfbewegung.

„Das Projekt bringt Herausforderungen mit sich, die er in keinem anderen System gesehen hat“, sagte Wesley Guo, Doktorand an der Stanford School of Engineering. „Es erfordert viel unkonventionelles Denken, damit diese Lösungen funktionieren.“

Das Team nutzte das Erholungsbecken von Stanford, um den Roboter zu testen und Experimente durchzuführen, beispielsweise das Tragen einer Videokamera auf einem Ausleger und das Sammeln von Gegenständen. Dann kam der ultimative Test für OceanOneK.

Bei einer Mittelmeertour, die im Jahr 2021 begann, tauchte OceanOneK in aufeinanderfolgende Tiefen: 406 Fuß (124 Meter) bis zum U-Boot, 1.095 Fuß (334 Meter) bis zu den Überresten des römischen Schiffs und schließlich 0,5 Meilen (852 Meter), um zu beweisen, dass es dazu in der Lage ist des Tauchens auf fast 1 Kilometer. Aber es verlief nicht ohne Probleme.

Guo und ein weiterer Stanford-Doktorand, Adrian Piedra, mussten nachts während eines Sturms einen der behinderten Arme des Roboters auf dem Deck ihres Bootes reparieren.

„Für mich hat die Entwicklung des Roboters acht Jahre gedauert“, sagte Piedra. „Man muss verstehen, wie jedes einzelne Teil dieses Roboters funktioniert – was alles ist, was schief gehen kann, und es geht immer etwas schief. Es ist also immer wie ein Rätsel. Tief in den Ozean eintauchen und die Gegend erkunden können.“ Einige Wracks zu sehen, die man aus dieser Nähe nie gesehen hätte, ist sehr lohnend.“

Während des Tieftauchgangs von OceanOneK im Februar stellten die Teammitglieder fest, dass der Roboter nicht aufsteigen konnte, als sie für eine Überprüfung des Triebwerks anhielten. Schwimmkörper an der Kommunikations- und Stromleitung waren zusammengebrochen, sodass sich die Leitung auf dem Roboter stapelte.

Sie konnten die Lücke schließen und der Abstieg von OceanOneK war ein Erfolg. Es ließ einen Gedenkstein auf dem Meeresboden fallen, auf dem zu lesen ist: „Die erste Berührung eines Roboters mit dem Tiefseeboden/Eine riesige neue Welt, die der Mensch erkunden kann.“

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Khatib, Professor für Informatik, nannte die Erfahrung eine „unglaubliche Reise“. „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 er.

Im Juli besuchte das Team das römische Schiff und die Crispi erneut. Während Ersteres so gut wie verschwunden sei, sei seine Ladung immer noch über den Meeresboden verstreut, sagte Khatib. Am Standort des römischen Schiffs sammelte OceanOneK erfolgreich antike Vasen und Öllampen, die noch immer den Namen ihres Herstellers tragen.

Der Roboter platzierte vorsichtig eine Boom-Kamera im zerbrochenen Rumpf des Crispi, um Videos von Korallen und Rostformationen aufzunehmen, während sich Bakterien am Eisen des Schiffs laben.

„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 Sie in Stanford gearbeitet haben, tatsächlich ein Teil davon ist.“ etwas viel Größeres“, sagte Piedra.

„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 aus einer Idee im Jahr 2014 entstandene Projekt hat eine lange Zukunft geplanter Expeditionen zu verlorenen Unterwasserstädten, Korallenriffen und tiefen Wracks vor sich. Die Innovationen von OceanOneK legen auch den Grundstein für sicherere Unterwassertechnikprojekte wie die Reparatur von Booten, Piers und Pipelines.

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Eine bevorstehende Mission wird ein versunkenes Dampfschiff im Titicacasee an der Grenze zwischen Peru und Bolivien erkunden.

Doch Khatib und sein Team haben noch größere Träume für das Projekt: den Weltraum.

Khatib sagte, die Europäische Weltraumorganisation habe Interesse an dem Roboter bekundet. Ein haptisches Gerät an Bord der Internationalen Raumstation würde es Astronauten ermöglichen, mit dem Roboter zu interagieren.

„Sie können tief im Wasser mit dem Roboter interagieren“, sagte Khatib, „und das wäre erstaunlich, weil dies die Aufgabe simulieren würde, dies auf einem anderen Planeten oder einem anderen Mond zu tun.“