Advancing Accessible Underwater Robotics: The Mini-Girona I-AUV at RAMI 2025

Der Ozean bleibt eine der letzten großen Grenzen der menschlichen Exploration, doch den Einsatz von Maschinen dort ist notoriously schwierig und teuer. Seit Jahrzehnten sind die Roboter, die in der Lage sind, komplexe Aufgaben unter Wasser auszuführen – wie etwa das Reparieren gebrochener Rohre oder das Inspizieren empfindlicher Strukturen –, entweder einfache, ferngesteuerte Geräte, die eine ständige menschliche Steuerung erfordern, oder massive, autonome Maschinen, die Hunderttausende von Dollar kosten und für die meisten Universitäten und Forscher unerreichbar sind. Diese finanzielle Barriere hat die fortschrittliche Unterwasserrobotik in den Händen weniger wohlhabender Institutionen gehalten und das Tempo von Entdeckung und Innovation verlangsamt. Das Feld sucht nun nach einem Mittelweg: einer Maschine, die erschwinglich genug für eine breite Nutzung, aber intelligent genug ist, um eigenständig zu operieren und ohne menschliche Hand am Joystick durch die trüben Tiefen zu navigieren.

Ein Forschungsteam hat mit der Entwicklung des Mini-Girona einen bedeutenden Schritt in diese Richtung gemacht, ein autonomes Unterwasserfahrzeug, das sowohl zugänglich als auch leistungsfähig konzipiert ist. Im Gegensatz zu den traditionellen, torpedoförmigen Robotern, die auf Geschwindigkeit und Langstreckenfahrten ausgelegt sind, priorisiert diese neue Maschine Agilität und die Fähigkeit, auf der Stelle zu schweben, was ihr ermöglicht, präzise Arbeiten in der Nähe von Unterwasserstrukturen durchzuführen. Das Team baute den Roboter mit dem Fokus auf Kosteneffizienz und strebte einen Preis von etwa 50.000 Dollar an, was nur einem Bruchteil der Kosten vergleichbarer Forschungsfahrzeuge entspricht. Um dies zu erreichen, integrierten sie fortschrittliche Komponenten wie einen Roboterarm zum Greifen von Objekten, Stereo-Kameras, die wie menschliche Augen wirken, um dreidimensional zu sehen, sowie leistungsstarke Computer, die in der Lage sind, künstliche Intelligenz auszuführen, um dem Roboter bei der autonomen Entscheidungsfindung zu helfen. Das Ziel war nicht nur, einen billigeren Roboter zu bauen, sondern ein Werkzeug zu schaffen, das die Lücke zwischen einfachen Fernsteuerungen und prohibitiv teuren Forschungsplattformen schließt und so den Weg für mehr Studenten und Wissenschaftler ebnet, mit der Unterwasserautomatisierung zu experimentieren.

Der wahre Test dieses Designs kam, als das Team den Mini-Girona beim RAMI 2025 Wettbewerb anmeldete, einem hochkarätigen Event im Hafen von La Spezia, Italien. Der Wettbewerb simulierte einen realen Notfall, bei dem kritische Unterwasserinfrastruktur beschädigt wurde, und die Teams hatten die Aufgabe, Roboter einzusetzen, um die Situation zu bewerten, ein gebrochenes Rohr zu lokalisieren und eine Reparatur durchzuführen. Die Herausforderungen waren enorm: Das Wasser war trübe mit einer Sichtweite von nur einem bis drei Metern, und die Roboter mussten ein Gebiet von 50 mal 25 Metern ohne menschliches Eingreifen navigieren. Die Aufgaben erforderten, dass die Roboter farbige Bojen fanden, einer Pipeline folgten, Schadensmarkierungen identifizierten und physisch ein Ventil drehten, um ein Leck zu stoppen. Es war eine anspruchsvolle Umgebung, die darauf ausgelegt war, die Grenzen dessen zu testen, was autonome Maschinen in der realen Welt leisten können, weit weg von der Sicherheit eines Labors.

Der Mini-Geronia sah sich von Beginn an erheblichen Hürden gegenüber. Am ersten Tag des Wettbewerbs verursachten hohe Temperaturen, dass die interne Elektronik des Roboters überhitzte, was seine Fähigkeit zur Kommunikation und autonomen Navigation für die ersten zwei Tage störte. Zudem bedeuteten strenge Sicherheitsregeln am Veranstaltungsort, dass nur drei der acht Teammitglieder den Wettbewerbsbereich betreten durften, was eine kleine Gruppe zwang, komplexe Operationen unter immensem Druck zu steuern. Trotz dieser Rückschläge erwies sich das grundlegende Design des Roboters als belastbar. Dem Team gelang es, den Roboter so weit funktionsfähig zu halten, dass er den zweiten Gesamtrang im Wettbewerb sicherte. Sie zeichneten sich besonders bei Aufgaben aus, die visuelle Wahrnehmung und physische Interaktion erforderten, und erhielten Spitzenbewertungen für ihre Leistung bei der Inspektion des Standorts und der Durchführung der Intervention.

Der Erfolg des Roboters beruhte maßgeblich darauf, wie er die Unterwasserwelt „sah“ und verstand. Anstatt sich auf eine einzige Kamera zu verlassen, nutzte der Mini-Girona zwei nebeneinander montierte Kameras, um eine dreidimensionale Sicht auf seine Umgebung zu erzeugen, ganz ähnlich dem menschlichen binokularen Sehen. Dieses System ermöglichte es dem Roboter, eine detaillierte Karte des Meeresbodens zu erstellen und Objekte wie Rohre, Ventile und Bojen selbst bei schlechter Sicht zu identifizieren. Die Software des Roboters nutzte künstliche Intelligenz, um diese Objekte zu erkennen und deren Distanz zu berechnen, was das Fahrzeug anleitete, sicher um Hindernisse herumzufahren. Als es Zeit für die Reparatur wurde, nutzte der Roboter einen fünfgelenkigen Roboterarm, um nach außen zu greifen und ein Ventil zu drehen. Während die letzte Drehung aufgrund der früheren technischen Probleme mit etwas menschlicher Hilfe vollendet wurde, griff der Roboter erfolgreich einen Rettungspol und stieg an die Oberfläche, was demonstrierte, dass die Maschine physisch mit Präzision mit ihrer Umgebung interagieren kann.

Die Ergebnisse des Wettbewerbs verdeutlichten sowohl das Potenzial als auch die aktuellen Grenzen der erschwinglichen Unterwasserrobotik. Der Mini-Girona bewies, dass eine kostengünstige Plattform in komplexen, realen Szenarien mit wesentlich teureren Maschinen konkurrieren kann, wobei er ein hohes Maß an Autonomie bei der Navigation und Objekterkennung erreichte. Die Leistung des Teams war besonders bei den visionsbasierten Aufgaben stark und zeigte, dass fortschrittliche Computer Vision auch unter den herausfordernden Bedingungen des offenen Meeres effektiv arbeiten kann. Die Erfahrung offenbarte jedoch auch Bereiche für Verbesserungen. Die Überhitzungsprobleme und die Schwierigkeiten, vor denen das kleine Team stand, unterstreichen die Notwendigkeit eines besseren Wärmemanagements und einer robusteren Notfallplanung für zukünftige Missionen.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher, die Fähigkeiten des Roboters weiter zu verfeinern, um ihn noch zuverlässiger zu machen. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Fähigkeit des Roboters zu verbessern, 3D-Bilder der Unterwasserumgebung mittels Deep Learning zu rekonstruieren, was zu vollautonomen Interventionsaufgaben ohne menschliche Hilfe führen könnte. Das Team beabsichtigt zudem, verschiedene Kombinationen von Sensoren zu testen, wie etwa die Paarung einer einzelnen Kamera mit einem Sonarsystem, um noch fortschrittlichere Wege der Datenfusion zu entwickeln. Durch das kontinuierliche Verschieben der Grenzen dessen, was mit erschwinglicher Technologie möglich ist, hilft das Mini-Girona-Projekt dabei, die Unterwasserrobotik zu demokratisieren und sicherzustellen, dass die Werkzeuge, die zur Erforschung und zum Schutz unserer Ozeane benötigt werden, einer viel breiteren Gemeinschaft von Wissenschaftlern und Ingenieuren zur Verfügung stehen.