Laut Umweltbundesamt lagern über 1,6 Millionen Tonnen Munitionsaltlasten in den nordeuropäischen Gewässern. Diese rosten, geben Giftstoffe an die Umwelt ab und bergen das Risiko, unkontrolliert zu detonieren. Neben den Gefahren für Mensch und Meeresumwelt hat dies auch wirtschaftliche Folgen. Es beeinträchtigt Branchen wie Fischerei, Schifffahrt oder Tourismus und behindert den Bau von Offshore-Installationen oder Seekabelverlegungen. Die Bergung der Munition durch Tauchende, der teilweise eine kontrollierte Sprengung vorangeht, ist nicht nur teuer, sondern auch äußerst riskant. In Zukunft sollen Roboter die Beseitigung der Altlasten übernehmen. So ließen sich die Gefahren minimieren und zugleich könnte die Effizienz der Kampfmittelentsorgung gesteigert werden. Noch sind die Systeme allerdings nicht in der Lage, eine solch anspruchsvolle Aufgabe eigenständig zu bewältigen.
KI für autonome Unterwasserroboter / Bund gibt eine Million Euro
Um die Forschung auf diesem Gebiet voranzutreiben, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt CleanSeas vom 1. Januar 2023 bis 31. Dezember 2025 mit rund einer Million Euro. Ziel des Vorhabens ist es, die technologischen Grundlagen zu schaffen, um Robotern die autonome Erfassung und Handhabung kritischer Infrastrukturen unter Wasser zu ermöglichen. Zu diesem Zweck entwickelt das DFKI Robotics Innovation Center KI-Lösungen für folgende drei Bereiche: die präzise Navigation im Nahbereich kritischer Objekte, die 3D-Rekonstruktion von Objekten mit verschiedenen Sensoren und die Ganzkörperregelung für die (teil-)autonome Objektmanipulation. Als robotische Testplattform dient das am DFKI entwickelte autonome Unterwasserfahrzeug (AUV) Cuttlefish. Der innovative Roboter verfügt über zwei tiefseetaugliche Greifsysteme zur flexiblen Handhabung von Objekten unter Wasser. Dank seines speziellen Designs und der KI-basierten Steuerung und Regelung kann er seinen Schwerpunkt und Auftrieb während eines Tauchgangs verändern und beliebige Orientierungen einnehmen.
Umfassende Umgebungswahrnehmung dank Sensorfusion und generativer KI
Für das Szenario der Munitionsbergung muss das AUV in der Lage sein, sich seinem Zielobjekt anzunähern, ohne mit diesem zu kollidieren. Dafür ist das Fahrzeug mit einer Vielzahl von Sensoren wie Sonaren, Kameras, Laserscanner und Magnetometer ausgestattet. Aufgrund der stark variierenden Umgebungsbedingungen unter Wasser kann der Roboter seine Umwelt jedoch nur teilweise und mit geringer Auflösung erfassen. Dies erschwert nicht nur die Navigation, sondern auch die Objekterfassung erheblich. Aus diesem Grund führen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler akustische und optische Sensordaten mithilfe wahrscheinlichkeitsbasierter Sensorfusion zusammen. Dabei hängt die Qualität der hochaufgelösten Kameradaten sehr von den vorherrschenden Licht- und Sichtverhältnissen ab. Demgegenüber sind akustische Sensoren zwar von den Sichtbedingungen unabhängig, liefern aber nur Daten mit deutlich geringerer Auflösung. Außerdem ist ihre Funktionalität im Nahbereich stark eingeschränkt. Um die Lücken in der Objekterfassung zu schließen, setzen die Forschenden auch auf den Einsatz generativer KI-Algorithmen. Dabei wird ein neuronales Netz so trainiert, dass es aus niedrig aufgelösten Sonardaten kameraähnliche Bilder erzeugen kann. Auf diese Weise ist eine umfassende Rekonstruktion des Zielobjekts in 3D möglich.
Ganzkörperregelung kombiniert mit gelerntem Verhalten für präzise Manipulation
Eine besondere Schwierigkeit liegt zudem in der Regelung des Roboters, dessen Struktur sich durch das Herausfahren der Greifsysteme verändert. So eignen sich klassische Verfahren nicht für die robotische Manipulation unter Wasser. Um präzise Armbewegungen zu ermöglichen, muss das gesamte Fahrzeug inklusive der Arme in die Regelung einbezogen werden. Dafür greifen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf moderne Ansätze der Ganzkörperregelung zurück, die sie mit gelerntem Verhalten kombinieren. Ein auf tiefen neuronalen Netzen basierender Algorithmus lernt, wie sich das Fahrzeug unter unterschiedlichen Bedingungen verhält. Dank des erlernten hydrodynamischen Modells ist das AUV in der Lage, seine Pose automatisch zur Laufzeit präzise nachzuregeln. Um Kollisionen der Arme zu vermeiden, entwickeln die Forschenden zudem eine Software, die die Armbewegungen in Echtzeit koordiniert. Taktile Kraftsensoren an den robotischen Greifern erlauben einen feinfühligen und im Zweifelsfall nachgiebigen Umgang mit Munitionsresten.
Evaluation verschiedener Befestigungskonzepte / Laborttests mit Altmunition
Ziel der Manipulation ist das Befestigen von Anschlagmitteln an die Hüllen alter Kampfmittel, um diese heben und abtransportieren zu können. Dafür untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedene Konzepte, die sie anschließend in entsprechende robotische Verhalten umsetzen, etwa das Anbringen von Hebezeug an vorhandene Ösen, das Umschlingen und Festziehen der Munition mit Gurten oder das Einfangen mit Netzen. Die entwickelten Technologien sollen zunächst unter kontrollierbaren Laborbedingungen erprobt werden. Dafür steht den Forschenden die europaweit einzigartige Maritime Explorationshalle des DFKI in Bremen zur Verfügung. Es ist geplant, Altmunition in dem 3.400 m³ großen und 8 m tiefen Salzwasserbecken zu versenken und in darin installierten Sandkästen zu platzieren.
Schlüsseltechnologien mit großer ökologischer und wirtschaftlicher Relevanz
Prof. Dr. Frank Kirchner, Leiter des DFKI Robotics Innovation Centers: „Innovative Robotik-Systeme der neuesten Generation, die durch Methoden der Künstlichen Intelligenz und des Maschinellen Lernens in der Lage sind, hochkomplexe Datenanalysen und Manipulationsvorgänge an gefährlichen oder sensitiven Objekten und Infrastrukturen in menschenfeindlicher Umgebung über lange Zeiträume mit gleichbleibender Präzision auszuführen, sind die Schlüsseltechnologie zur Bewältigung dieser Mammutaufgabe und gleichzeitig nur der erste Schritt. Deutschland setzt damit Standards bei der Arbeit in ökologisch sensitiven Gebieten und erlangt einen technischen Wettbewerbsvorsprung gegenüber der internationalen Konkurrenz.“
Die in CleanSeas angestrebten robotischen Lösungen könnten nicht nur ein wichtiges Instrument zur Bewältigung des Munitionsproblems in den Weltmeeren sein, sondern auch den Ausbau erneuerbarer Energien und die nachhaltige Nutzung maritimer Ressourcen befördern. So ließen sich die neuen Technologien ebenso nutzen, um die Entwicklung von Robotern voranzutreiben, die autonom Wartungs- und Inspektionsarbeiten an Anlagen von Offshore-Windparks, Terminals zur Gewinnung von grünem Wasserstoff oder Aquakulturen ausführen.
DFKI-Kontakt:
Dr. Leif Christensen
Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI)
Robotics Innovation Center
E-Mail: leif.christensen[at]dfki.de
Tel.: +49 421 178 45 4149
DFKI-Pressekontakt:
Team Communications & Media Bremen
E-Mail: communications-hb[at]dfki.de
Tel.: +49 421 178 45 4180