künstlicher Mantarochen-Roboter unter Wasser in einem Pool

Einmal mehr orientiert sich die Robotik an der Natur: Der künstliche Manta-Rochen von EvoLogics soll in der Kampfmittelbeseitigung unter Wasser zum Einsatz kommen. (Bild: EvoLogics GmbH)

Der Robo-Rochen:

Um im Meer versunkene Kriegsgeschosse zuverlässig aufzuspüren, kommen bislang Spezial-U-Boote zum Einsatz. Für enge und schwer erreichbare Stellen müssen aber  SpezialtaucherInnen diese komplexe und gefährliche Aufgabe übernehmen. Ein deutsches Forschungskonsortium unter Beteiligung des Fraunhofer IZM nutzt nun einen Unterwasser-Roboter, der so wendig und beweglich ist wie ein Manta-Rochen - und auch so aussieht. Dank neuentwickelter, vernetzter Sensoren in seinen Flügelflächen kann er Informationen aus der Umgebung erhalten kann und so metallische Objekte auf dem Meeresboden oder leicht vergraben unter der Erde finden.

Bisher waren die Roboter-Mantas noch nicht so smart, dass sie die gefährdeten SpezialtaucherInnen ablösen konnten. Im BMBF-geförderten Projekt Bionic RoboSkin sollen die robotischen Mantas eine flexible bionische Sensorhaut erhalten, die es ihnen erlaubt, sich autonom in ihrem jeweiligen Umfeld zurechtzufinden.

Die Sensorhaut besteht aus einem Textilverbund als Träger für Sensorelemente und stellt zugleich wasserdichte elektrische Verbindungen für Energieversorgung und Kommunikation bereit. Forschende vom Fraunhofer IZM haben es sich zur Aufgabe gemacht, die integrierten Sensormodule zu entwickeln, dank derer die autonomen Tauchroboter sowohl Berührungen und Annäherungen wie auch Strömungen erkennen können.

Die textile Trägerhaut mit vier Sensorknoten, die die gesammelten Daten vorverarbeiten.
Die textile Trägerhaut mit vier Sensorknoten, die die gesammelten Daten vorverarbeiten. (Bild: Fraunhofer IZM)

Roboter-Rochen bekommt einen Unterwasser-Blinker

Zudem haben die Forschenden Leuchtdioden im Leiterplattendesign integriert: Durch Aktivieren der Lämpchen kann der Roboter künftig unter Wasser mit TaucherInnen kommunizieren und beispielsweise durch Blinken zeigen, dass er in Kürze abbiegt. Wie sich der Manta Ray im Wasser bewegen kann, zeigt ein Youtube-Video von EvoLogics:

Die Putzer-Fische:

Dinge aus dem Wasser zu holen, die dort nicht hingehören - darum geht es auch im europäischen Kooperationsprojekt SeaClear, zu dem sich die TU München mit acht europäischen Partner-Instituten zusammengefunden hat. In unseren Meeren und Ozeanen befinden sich aktuell zwischen 26 und 66 Millionen Tonnen Plastikmüll. Der größte Anteil davon liegt auf dem Meeresboden.

Vier Roboter arbeiten im Team

Das Bild zeigt die vier Komponenten von SeaClear: Ein autonomes Boot, eine Drohne und zwei Unterwasserroboter.
Das Bild zeigt die vier Komponenten von SeaClear: Ein autonomes Boot, eine Drohne und zwei Unterwasserroboter. (Bild: The SeaClear Project)

Nun wird in dem Projekt ein Robotersystem entwickelt, das nicht nur an der Oberfläche, sondern auch Unterwasser Müll einsammeln kann. Das System setzt sich aus vier einzelnen Roboter-Komponenten zusammen: Ein autonom fahrendes Roboter-Boot führt einen ersten Scan des Meeresbodens durch und lokalisiert dabei größere Müllansammlungen. Dann wird ein Beobachtungs-Roboter ins Wasser gelassen, der den Müll in der Tiefe aufspürt und gleichzeitig weitere Informationen wie Nahaufnahmen des Meeresbodens an die Rechner liefert.

Bei klarem Wasser und guten Sichtverhältnissen sorgt zusätzlich eine Drohne aus der Luft dafür, dass weiterer Müll im Wasser erkannt wird. Mit Hilfe all dieser Informationen wird eine virtuelle Karte erzeugt. Ein Sammel-Roboter fährt dann bestimmte Punkte an der Karte ab und sammelt den Müll auf. Dabei werden größere Teile mit Hilfe eines Greifers in einem Korb, der mit dem Schiff verbunden ist, abtransportiert.

Maschinelles Lernen für kontrollierte Bewegungen

„Autonome Roboter für den Einsatz Unterwasser zu entwickeln, stellt eine ganz besondere Herausforderung dar“ sagt Dr. Stefan Sosnowski, Technischer Leiter des SeaClear-Projekts. Denn anders als an Land herrschen im Wasser ganz besondere Bedingungen wie etwa starke Strömungen. Um damit klar zu kommen, verwendet das Team Methoden des maschinellen Lernens. Eine Künstliche Intelligenz (KI) berechnet und lernt, wann und unter welchen Bedingungen sich der Roboter auf eine bestimmte Weise bewegt. So können genaue Vorhersagen über sein Verhalten getroffen werden.

Wenn das SeaClear-System einmal voll einsatzfähig ist, soll es Unterwasserabfälle mit einer prognostizierten Quote von 80 % klassifizieren und zu 90 % erfolgreich einsammeln – vergleichbar mit dem Erfolg beim Einsatz von Tauchern.

Bilder von einem Testlauf des Systems im Hamburger Hafen zeigt das folgende Youtube-Video:

Die trampende Doppel-Drohne:

Ist es ein Fisch im Wasser oder ist ein Vogel in der Luft? Der Roboter kann innerhalb von einer Sekunde von einem Medium auf das andere umschalten.
Ist es ein Fisch im Wasser oder ist ein Vogel in der Luft? Der Roboter kann innerhalb von einer Sekunde von einem Medium auf das andere umschalten. (Bild: Beihang University / Science Robotics)

So schön es ist, wenn man in einem Projekt zum Beispiel eine Drohne mit einem Unterwasserroboter kombinieren kann (siehe oben) - noch viel cooler wäre es doch, wenn ein System beides könnte. Ein neuer Roboter ist in der Lage, sich in weniger als einer Sekunde von einer Unterwasserdrohne in eine fliegende Drohne zu verwandeln. Der ultraschnelle Übergang von einer Unterwasser- zu einem Luftfahrzeug in weniger als einer Sekunde basiert auf einem neuen Propellerdesign, das einen schnelleren Wechsel zwischen den unterschiedlichen Medien erlaubt als bei den meisten bisherigen Luft-Wasser-Robotern.

Das folgende Video zeigt die schnellen Übergänge zwischen Wasser und Luft:

Das gemeinsam von Wissenschaftlern der chinesischen Beihang University, des Imperial College London und der Schweizer Materialforschungsanstalt Empa entwickelte System hat aber noch ein zweite ganz besondere Eigenschaft.

Autonome Drohnen sind von großer Hilfe bei Forschungsexpeditionen oder Umweltüberwachungen über dem offenen Meer - doch in der Regel setzt die knappe Akku-Kapazität dem Einsatz enge Grenzen.

Das internationale Wissenschaftlerteam hat sich deswegen vom sogenannten Schiffshalter-Fisch inspirieren lassen, der sich an größeren Tieren wie Walen und Haien festsaugt und "Huckepack" mit wenig Energieaufwand reist. Der Roboter verfügt über einen Saugnapf, der auf nassen wie trockenen Oberflächen mit unterschiedlicher Beschaffenheit haften kann.

Tests haben gezeigt, dass der "trampende" Roboter auf diese Weise fast 20-mal weniger Energie braucht als mit einem Eigenantrieb.

Der Roboter verfügt über einen vom Schiffshalter-Fisch inspirierten Saugnapf.
Der Roboter verfügt über einen vom Schiffshalter-Fisch inspirierten Saugnapf. (Bild: Beihang Universität / Science Robotics)

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