Tauchroboter als autonome Unterwasser-Müllabfuhr

In zahllosen Häfen weltweit holen bislang Taucher regelmäßig E-Scooter, Fahrräder, verlorengegangene Fischernetze und alte Reifen aus den Hafenbecken. In Dubrovnik zählten die TUM-Forscher auf einer Fläche von 100 Quadratmetern insgesamt über 100 Müllteile. Abhilfe schaffen kann demnächst eine autonome Müllentsorgung. Das Gesamtsystem besteht aus einem unbemannten Serviceboot mit Beiboot, einer Drohne, einem kleinen Unterwasser-Suchroboter und dem Tauchroboter der TUM. Dr. Stefan Sosnowski aus dem Lehrstuhl für Informationstechnische Regelung der TUM rechnet in einer Kosten-Nutzen-Analyse vor, dass sich die Müllentsorgung mithilfe der autonomen Unterwassermüllabfuhr schon ab einer Wassertiefe von 16 m rentiert.

TUM-Tauchroboter ist Teil eines Gesamtkonzepts

Wie die Müllentsorgung funktioniert: Das Serviceboot versorgt die Unterwasserroboter per Kabel mit Strom und Datenverbindung. Zudem schickt es Ultraschallwellen in die Tiefe und kartiert grob den Untergrund. Ein etwa 50 cm langer Suchroboter ist spezialisiert auf einen schnellen und effizienten Scan des Meeresbodens. Mit diesen Informationen versorgt, taucht das von acht Mini-Turbinen angetriebene TUM-U-Boot nun zu den Stellen ab, an denen bereits Müll geortet wurde. Dort greift es die Gegenstände und lädt sie per Seilwinde an Bord eines zusätzlichen autonomen Beiboots, das als schwimmender Müllcontainer dient.

Der mit Greifer ausgestattete Unterwasserroboter der TUM kann Müllobjekte identifizieren und in 3D darstellen. „Da wir den Müll zunächst identifizieren müssen und das Greifen von Objekten eine hohe Präzision erfordert, haben wir eine Kamera und ein Sonar an Bord, das die Orientierung selbst in trübem Wasser ermöglicht“, erläutert Sosnowski. Die Identifizierung von Müll ist nicht trivial. Denn für Objekte unter Wasser gibt es kaum Bildmaterial, das als Lernmaterial für neuronale Netze dienen könnte. „Deswegen haben die Projektpartner bisher über 7000 Bilder gelabelt – also als Objekte gekennzeichnet, die nicht auf den Meeresgrund gehören“, sagt Sosnowski. Ist der Müll dann identifiziert, wandelt die KI die Aufnahmen in 3D um. „Das ist wichtig, um zu entscheiden, wo das Objekt stabil gegriffen werden kann“, erläutert Sosnowski.

Wenn der von der TUM entwickelte autonome Greifer des etwa einen Kubikmeter großen Tauchroboters dann zupackt, braucht niemand Befürchtungen haben, dass ein Plastikeimer zerbricht oder eine Flasche zersplittert. Zwar kann die vierfingrige Riesenhand mit der Kraft von 4000 N zudrücken und Gegenstände von bis zu 250 kg Gewicht greifen, doch merkt sie durch spezielle Sensoren auch, wie viel Kraft sie einsetzen darf, damit sie keinen Schaden anrichtet.

Auch wenn sich das TUM-Boot autonom im Wasser bewegt, haben sich die Forschenden dafür entschieden, es 'an die Leine' zu nehmen. Denn eine Batterie an Bord würde nur etwa zwei Stunden Strom liefern. Zudem lässt sich die Leistungsfähigkeit der KI durch eine Kabelanbindung etwas erhöhen. Außerdem dient das Kabel als Seilzug, um schwere Teile aus dem Meer an die Oberfläche zu ziehen.

Das 120 kg schwere U-Boot ist von einem Auftriebsschaum umgeben, der es im Wasser in einer Art Schwebezustand hält, sofern die Mini-Turbinen nicht im Einsatz sind. Er ermöglicht also eine freie, präzise Bewegung des Unterwasserroboters. „Das ist wichtig, um sich Objekten exakt nähern zu können“, erklärt Sosnowski.