Roboter: Künstliche Intelligenz auch unter Wasser
Während nächste Woche auf der Messe Automatica in München Unternehmen und Institute ihre neuesten Roboterentwicklungen vorstellen, tüfteln junge Wissenschaftler in Bremen an autonomen Unterwasserexemplaren. Hier am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz werden die Grundlagen für viele industrielle Anwendungen gelegt. Auch im Unterwasserlabor des Instituts.
Stoisch dreht „Dagon“ in dem Wasserbecken seine Runden. Langsam schwimmt er von Glaswand zu Glaswand, scannt den Grund des Beckens und zeichnet auf, was er sieht. Immer wenn der Roboter in dem Becken wendet und dafür seine Schubdüsen anwirft, gluckert es ein wenig. Jan Albiez und Marc Hildebrandt beobachten den Roboter und lächeln. Das Unterwasserfahrzeug, das eigentlich gar nicht aussieht wie ein Roboter, sondern eher wie ein platt gedrücktes U-Boot, macht genau das, was es soll.
Kein Wunder – schließlich geht der seltsam aussehende Roboter Dagon tatsächlich alles andere als stoisch vor, sondern eher besonders intelligent. Mithilfe eines Kompasses orientiert er sich, ein Stereokamerasystem scannt den im Wassertank simulierten Meeresboden. Das Besondere: Dagon erledigt alles autonom, ohne an einem Kabel zu hängen, ohne Steuerung von außen.
Roboter Dagon arbeitet eigenständig am simulierten Meeresboden
Kaum jemand würde vermuten, dass sich in dem unscheinbaren Gebäude nahe der Universität Bremen, in dem Dagon seine Runden dreht, das weltweit größte Forschungszentrum auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz verbirgt.
Es ist ein eher zweckmäßiger Bau, in dem Unterwasserrobotik weltweit die Spitze einer Forschung markiert, die in den kommenden Jahrzehnten immer wichtiger werden wird: Mit der zunehmenden Verknappung von Rohstoffquellen in erdoberflächennahen Lagen steigt das Interesse an Ressourcengewinnung aus tiefer gelegenen Stellen im Meer. Ölbohrplattformen der neuesten Generation sind bereits in ca. 2400 m Tiefe verankert. Das Schweißen von Pipelines unter Wasser muss von sogenannten „Remotely Operated Vehicles“, ferngesteuerten Robotern, durchgeführt werden, da Taucher in diese Tiefen nicht vordringen können.
Ansatz des DFKI-Forschungslabors und Dagons Forschungsdaseinszweck: Die Roboter sollen künftig kleine mobile Geräte sein, die ohne Versorgungsschiff weltweit einsetzbar sind.
Jan Albiez, Informatiker, Projektleiter und verantwortlich für das Unterwasserlabor am DFKI Robotics Innovation Center, wendet sich schließlich von der großen Beobachtungsscheibe ab und sinniert. Er zögert kurz, denn er weiß nicht so recht, wo er anfangen soll, um die Arbeit des Unterwasserlabors zu umreißen. Schließlich sagt er: „Wasser ist eine feindliche Umgebung für hochtechnische Geräte.“
Die tiefere Bedeutung dieses Satzes erschließt sich, als Albiez kurz darauf hinzufügt: „Lichtbrechung von Sonnenstrahlen, ein sich stets veränderndes Farbspektrum, sich pausenlos ändernde Druckverhältnisse, Trübung und Schwebteilchen im Wasser – es gibt viele Einflussfaktoren, die Robotern unter Wasser das Leben schwer machen, zumal wenn sie allein agieren sollen.“ Vieles, was Roboter an Land längst könnten, sei unter Wasser Makulatur.
Bislang tauchen herkömmliche Roboter an einer Nabelschnur in die Tiefe – und schleppen dabei ein armdickes kilometerlanges Kabel hinter sich her. Was sicher klingt, hat jedoch große Nachteile. „Die Bewegungsfreiheit ist eingeschränkt, zudem muss der Roboter sehr kräftige Motoren besitzen, da das Kabel aufgrund seiner Länge und seiner Angriffsfläche unter Wasser wie ein Segel wirkt und ständig abbremst“, sagt Albiez. Die Forscher hingegen wollen, dass ihre Roboter weltweit einsetzbar sind, sich auch in nicht erprobten Situationen klug verhalten, natürlich ihre Aufgabe erledigen und stets nach Hause finden.
Albiez und Hildebrandt, 37 und 29 Jahre alt, haben das Unterwasserlabor mit aufgebaut. Es sind junge Forscher, die wohl an einem der spannendsten Themen der Zukunft arbeiten. Zwei Testbecken mit 20 000 l und 40 000 l Fassungsvermögen dominieren ihren nüchternen Arbeitsraum. Eine Steuerungswarte, von der sich auf mehreren Monitoren und aus verschiedenen Perspektiven beobachten lässt, was die Roboter machen, drängt sich in einer Ecke des Raumes.
Alles ist sehr funktional, obwohl beim Umgang mit den Maschinen auch Emotionen im Spiel sind, wie man den beiden Forschern immer wieder anmerkt. „Jedes Mal, wenn wir unsere Roboter nach vielen Experimenten in freier Natur ins Wasser werfen, sie außer Sichtweite abtauchen, werden wir nervös“, sagt Albiez. Sicher, bislang sei noch jeder Roboter wieder aufgetaucht – und dass das so ist, ist vor allem langen Versuchsreihen in den Testbecken des Labors zu verdanken. „In Experimenten trüben wir das Wasser dazu etwa mit Tonmehl ein, um so etwas darüber herauszufinden, wie sich die Maschinen bei schlechter Sicht orientieren“, erklärt Albiez.
Roboter Dagon hat bereits Tests im Mittelmeer durchgeführt
Mit einem kurzen Blick überzeugt sich Albiez von Dagons Wohlergehen, der jedoch nach wie vor brav seine Runden dreht, dann erzählt er von einer Reise nach La Spezia am Mittelmeer: „In einem Versuch lassen wir etwa per Laser den Boden abtasten, um so seine Struktur zu erfassen. Im Wassertank klappt das gut. In La Spezia wollten wir das am Mittelmeer dann auch ausprobieren. Leider ist die Sonneneinstrahlung dort so stark, dass in der Lichtbrechung unter Wasser der Laser nicht mehr funktionierte.“
Solche Erkenntnisse sind wichtig, da autonom agierende Roboter nicht nur in ferner Zukunft bei der Erschließung des Lebensraumes Meer helfen sollen, sondern bereits heute ganz profane Arbeiten übernehmen müssen. So möchte ein norddeutscher Kraftwerksbetreiber derzeit zum Beispiel mit einem Roboter feststellen, ob seine Zu- und Abwasserrohre verschlickt sind – ein Roboter soll dazu bis zu 1 km tief in das Rohr hineintauchen und nachsehen, was für einen Menschen unmöglich ist.
„Bei solchen Aufgaben muss vorher sicher sein, dass der Roboter seinen Weg auch wieder herausfindet“, ergänzt Hildebrandt, der Dagon betreut. Er hat ihn zu einem großen Teil selbst entworfen. „Funk und GPS funktionieren unter Wasser nicht oder nur eingeschränkt“, erklärt der 29-Jährige. Man spürt: Der Gedanke, Dagon allein in ein kilometerlanges Rohr zu schicken, gefällt ihm nicht. „Vor allem eines muss ein Roboter immer wissen: wo er sich selbst gerade aufhält“, sagt Hildebrandt schließlich und fast klingt es ein wenig wie eine Beschwörung.
Zweites Beispiel: „Aus Norwegen haben wir derzeit den Auftrag, das Netz einer Fischfarm zu untersuchen und auf Beschädigungen zu kontrollieren. Dieses Netz ist 50 m im Durchmesser groß und 30 m tief und daher zu groß, um es an Land zu holen“, erläutert Hildebrandt kurz darauf. Die Fragestellung laute: Wie erkennt ein Roboter selbstständig, ob ein Loch an einer Stelle ist, wo keines hingehört, wenn doch ein Netz ohnehin nur aus Maschen besteht? Was für den Menschen intuitiv erfassbar ist, stellt einen Roboter vor ein großes Rätsel. „Wir lassen uns nun erst einmal ein Stück des Netzes schicken, um vorher im Becken Versuche zu machen“, erzählt Hildebrandt.
Es sind solche vermeintlich einfachen Aufgabenstellungen, hinter denen komplexe sensorische Herausforderungen stehen. Ohne Leidenschaft und ohne die Probleme mit nach Hause zu nehmen, geht da nur wenig: „Oft komme ich abends noch mal her, wenn mir zu Hause etwas eingefallen ist“, ergänzt Albiez. Manchmal mache er auch nachts Versuche, weil es nur dann im Labor so dunkel ist, wie in der Natur in vielen Metern Wassertiefe.
Doch nicht nur die Sensorik, sondern auch der Druck unter Wasser macht den hochempfindlichen Geräten zu schaffen – vor allem, wenn sie eben sehr tief tauchen sollen. Im sogenannten Druckkammer-Labor einen Raum weiter arbeitet Peter Kampmann an einer weltweit einzigartigen Roboterhand.
„Wir bauen eine Greifhand, die noch in 6000 m Tiefe funktioniert“, erklärt er. In dieser Tiefe herrsche ein Druck von 600 kg pro cm2. Diese Tiefe sei mit Bedacht gewählt worden, da so 95 % des Meeresbodens der Erde erreichbar sind. Das Besondere an seinem SeeGrip-Manipulationssystem ist die hohe Sensordichte der Greifer. „Wir haben 2000 Sensorpunkte, womit sich vieles sehr genau ertasten lässt“, erklärt er.
In seinem Arbeitsbereich sieht es weniger aus wie in einem Forschungslabor, sondern mehr wie in einem Bastelraum: Aus unzähligen kleinen Kisten holt Kampmann kleine Sensoren, Quarze oder Servos hervor. Dann zeigt er sein Prunkstück – die Roboterhand, an der er und seine Kollegen seit drei Jahren bauen. Vorsichtig, mit einem Schraubenzieher, zeigt Kampmann auf dieses und jenes Bauteil.
Manche dieser Teile, etwa Servos, sehen so zerbrechlich aus, dass es kaum zu glauben ist, dass sie in 6 km Tiefe dem Wasserdruck standhalten. Dabei hat die Roboterhand genau dies schon mehr als einmal bewiesen. In einer Ecke des Raumes steht ein wuchtiger, zylindrischer Behälter, der es in sich hat – die Druckkammer des Labors. Mit ihr simulieren Kampmann und seine Kollegen 6000 m Wassertiefe – schon oft ist die Roboterhand dort abgetaucht.
Aus einer der unzähligen kleinen Kisten fischt Kampmann vom Wasserdruck zerdrückte Elektronikquarze – Resultate dieser Tauchversuche. „Irgendwann kamen wir drauf, Quarze mit Keramikmantel zu nutzen und fanden heraus, dass diese dem Wasserdruck standhalten“, erklärt er. Aus einer anderen Kiste holt er Kameralinsen, sonst Pfennigartikel, die aber in Gießharz eingegossen sind, um sie auf diese Weise vor dem Wasserdruck zu schützen. Die elektronischen Bauteile wirken wie in Bernstein gefangene Fremdkörper und zeigen, wie unkonventionell die DFKI-Forscher denken.
Roboter sollen den Lebensraum Meer für den Menschen erschließen
Dass sich der ganze Aufwand lohnt, davon ist schließlich Professor Frank Kirchner, Leiter des DFKI Robotics Innovation Centers, überzeugt. Einerseits glaubt er, dass sich der Mensch den Lebensraum Meer nach und nach erschließen müsse, andererseits ist das Meer aber auch ein sehr sensibles Ökosystem. „Wir müssen daher eine filigranere Robotertechnik entwickeln, als wir bisher haben, die nur minimalinvasiv in dieses Ökosystem eingreift“, erläutert er bei einem Besuch im Unterwasserlabor. Roboter, die autonom agieren, seien hier genau der richtige Ansatz.
Gleichwohl weiß er auch: „Manche Bereiche der Tiefsee werden uns wohl für immer verschlossen bleiben.“ Dann schaut er genau wie seine Kollegen unbewusst nach Dagon, der in dem großen Wasserbecken immer noch von allem unbeirrt seine Runden dreht, als wollte er just das Gegenteil beweisen.
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