Peter Kampmann erläutert bei Wissen um elf Herausforderungen für maritime Roboter und präsentiert drei Entwicklungen des DFKI Arbeiten unter höchstem Druck

Altstadt. Tauchroboter kommen auch da noch hin, wo Taucher nicht mehr hin können. „Diese Robotik im Allgemeinen, zumindest, um Unterwasserarbeiten durchführen zu können, wird immer wichtiger“, sagt Peter Kampmann.
04.04.2016, 00:00
Lesedauer: 4 Min
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Von Solveig Rixmann

Tauchroboter kommen auch da noch hin, wo Taucher nicht mehr hin können. „Diese Robotik im Allgemeinen, zumindest, um Unterwasserarbeiten durchführen zu können, wird immer wichtiger“, sagt Peter Kampmann. Arbeiten werden immer weiter in die Tiefe verlagert, und Roboter in der Tiefsee müssen mehr Herausforderungen meistern als in der Raumfahrt: Zum hohen Druck kommt die schlechte Sicht hinzu. Bei Wissen um elf im Haus der Wissenschaft schilderte der Informatiker vom Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) die Ansprüche an Unterwasserroboter und stellte drei Entwicklungen des Forschungszentrums vor.

Es gibt verschiedene Typen von Unterwasserrobotern. Für deren Einsatz ist auch die Art, wie sie gesteuert werden, entscheidend. Remotely Operated Vehicles (ROV) sind durch ein Kabel mit der Steuerungseinheit verbunden. Ein Autonomous Underwater Vehicle (AUV), also ein autonomes Unterwasserfahrzeug, ist da wesentlich komplexer und beinhaltet viel mehr intelligente Technik. „Das sind Fahrzeuge, die komplett alleine losgeschickt werden“, erklärt Peter Kampmann.

An Land können Robotersysteme Türen öffnen und feine, präzise Arbeiten verrichten. Unterwasserroboter haben mit viel mehr Widrigkeiten zu kämpfen – die Herausforderungen sind sogar größer als die der Raumfahrt: Zersetzungsprozesse durch das Salzwasser, chemische Wechselwirkungen der verbauten Metalle, eine Kommunikation per Funk oder eine Positionsbestimmung per GPS funktionieren nicht, da das Wasser die Funkwellen dämpft.

Eine wesentliche Herausforderung sind die Sichtbedingungen. Es kann sein, dass der Antrieb eines Roboters oder ein Greifarm Sediment vom Meeresboden aufwirbelt. „Das Problem ist, dass die Sicht auf lange Zeit so schlecht bleibt, weil dieses Sediment eben so fein ist“, erklärt Peter Kampmann. Bis zu zwei Stunden könne das dauern. Zeit, in der die Forscher untätig warten müssen.

Um die Umgebung wahrnehmen zu können, werden an Land häufig Kameras verwendet. Die Roboter reagieren dann auf die Farben bestimmter Objekte. Doch mit zunehmender Wassertiefe gleichen sich die Farben immer weiter an. Zudem krümmt der Wasserdruck die Linse einer Kamera schon bei wenigen Metern Wassertiefe, was Bilder unscharf werden lässt.

In etwa sechs Kilometern Meerestiefe würden ungefähr 95 Prozent der Meeresböden erreicht werden, erklärt Peter Kampmann. Dort laste auf den Bauteilen eines Roboters ein Druck von ungefähr 600 Kilogramm pro Quadratzentimeter. „Das ist ungefähr ein gut genährter, ausgewachsener Eisbär auf nur einem Quadratzentimeter – also auf einem briefmarkengroßen Fleck.“ Um den Stand zu halten, gibt es Druckhüllen für unterschiedliche Meerestiefen: von Kunststoff über Aluminiumbehälter bis hin zu einer Mischung aus Keramik und Metall. Je tiefer ein Roboter tauchen soll, umso höher sind die Kosten für die Produktion dieser Hüllen. Wissenschaftler gehen daher vermehrt der Frage nach: Welche elektronischen Bauteile eignen sich, direkt den Druck auszuhalten? Denn dann würden Roboter leichter, kleiner und kostengünstiger werden.

Drei am DFKI entwickelte Robotersysteme sollen Abhilfe bei einigen Problemen schaffen. „Flatfish“ ist ein AUV. Wichtig ist, dass diese Systeme ihre Mission nicht unterwegs abbrechen, sondern auf jeden Fall wieder zurückkommen. „Die können bis zu fünf Millionen Euro kosten“, beziffert Peter Kampmann den möglichen Verlust. Das System muss möglichst viel von seiner Umgebung erfassen. Das DFKI hat „Flatfish“ daher mit drei Sonarsystemen ausgestattet. Zudem besteht es aus Kameras, Lampen und einem Geschwindigkeitsmesser. Zukünftig könnte es zur Überwachung von Ölbohrplattformen am Meeresboden eingesetzt werden.

Das Projekt „Europa Explorer“ kommt bei der Suche nach extraterrestrischem Leben zum Einsatz. Forscher vermuten, dass sich auf dem Jupitermond Europa unter einer zehn Kilometer dicken Eisschicht ein Ozean befindet, der möglicherweise die Bedingungen dafür hat, dass dort Leben existiert. Neben dem enormen Umgebungsdruck auf dem Mond ist es zudem ein großer Aufwand, durch das Eis zu kommen. Die Lösung: Das vier bis fünf Meter lange robotische Fahrzeug ist in einen gut sechs Meter langen Eisbohrer eingebettet. Nachdem der durch das Eis gelangt ist, soll der Roboter kleine Messsonden aufbauen, um die eigene Position zu bestimmen. Momentan übt der Roboter, sich wieder selbst an das Shuttle anzudocken. Dies läuft ähnlich wie das Andocken eines Shuttles an der Raumstation ISS: Dort erkennt das System per Kamera einen optischen Marker und richtet sich danach aus.

Peter Kampmanns Doktorarbeit steht kurz vor dem Abschluss. Darin befasst er sich mit der Entwicklung eines Greifwerkzeugs mit Tastgefühl für den Einsatz Unterwasser in Tiefen bis 6000 Metern. „Sea Grip“ ist ein taktiler Greifer, der unter Wasser fühlen kann – und das trotz des hohen Umgebungsdrucks. Ein Greifarm mit einer Greifkraft von 500 Newton kann eine gefüllte Cola-Dose einfach so zerdrücken. Aber damit beispielsweise feine Korallen beim Aufnehmen nicht zerbröseln, braucht er eine Kraftsensorik. Kraftmessdosen, Drucksensoren, Sensoren für Textur und Geometrie: Daran arbeitet das DFKI. In den Tests erkenne das System die Struktur eines Bauklotzes bis auf einen halben Zentimeter genau, sagt Peter Kampmann. „Wenn ich jetzt durch Tasten in der Lage bin, mich in meiner Umgebung zu bewegen, dann sind die Sichtbedingungen nicht mehr so wichtig – ich bin nicht mehr so abhängig davon.“ Das System könnte also auch arbeiten, wenn Sediment aufgewirbelt worden wäre. Ein weiterer Schritt hin zur Bewältigung von Problemen, die zusätzlich zu dem auftreten, was eigentlich mit der Robotik gelöst werden soll.

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