Robot submarino conecta la vista y el tacto de los humanos con las profundidades del mar

21 de julio de 2022

por Taylor Kubota, Universidad de Stanford

Mientras el robot submarino OceanOneK navegaba con cuidado hacia la barandilla de la cubierta superior del barco de vapor italiano hundido Le Francesco Crispi a unos 500 m por debajo de la superficie del Mediterráneo este mes (aproximadamente un tercio de milla), el especialista en robótica de la Universidad de Stanford, Oussama Khatib, sintió que él mismo estaba allí. .

OceanOneK tiene una mitad superior humanoide y una mitad trasera más delgada con ocho propulsores multidireccionales que permiten maniobrar con cuidado bajo el agua. El sistema de retroalimentación háptico, o basado en el tacto, y la visión estereoscópica del robot produjeron sensaciones increíblemente realistas que igualaban lo que habría experimentado si estuviera abajo, en lugar de arriba, a bordo de la nave de control. Mirando a través de los ojos del robot OceanOneK y sintiendo a través de sus manos, Khatib percibió un caleidoscopio de vida, rosa, verde y naranja oxidado, en capas sobre y alrededor de la nave. Sintió la resistencia del agua y pudo discernir las formas y la proximidad de la histórica reliquia a su alrededor.

"Te estás moviendo muy cerca de esta asombrosa estructura y sucede algo increíble cuando la tocas: realmente la sientes", dijo Khatib, profesor de Weichai en la Escuela de Ingeniería y director del Laboratorio de Robótica de Stanford. "Nunca había experimentado algo así en mi vida. Puedo decir que fui yo quien tocó el Crispi a 500 m. Y lo hice, lo toqué, lo sentí".

La misión de OceanOneK a estas profundidades tenía dos propósitos: explorar lugares a los que nadie había ido antes y demostrar que el tacto, la visión y la interactividad humanos pueden llevarse a estos sitios muy alejados de donde las personas pueden operar.

Si bien OceanOneK tuvo muchas aventuras y éxitos notables durante dos viajes de varias paradas por el Mediterráneo, el logro primordial del equipo, que incluía a Michel L'Hour, ex director de investigación de arqueología subacuática en el Ministerio de Cultura de Francia (DRASSM), Vincent Creuze de LIRMM en la Universidad de Montpellier, Denis Degez y Franca Cibecchini de DRASSM, y la tripulación del barco— demostraba autonomía funcional a casi 1000 m de profundidad. Fue este avance lo que le valió el cambio de nombre de OceanOne a OceanOneK.

"Esta es la primera vez que un robot ha sido capaz de ir a tal profundidad, interactuar con el entorno y permitir que el operador humano sienta ese entorno", dijo Khatib. "Ha sido un viaje increíble".

La inmersión de febrero al Crispi había sido parte de una gira de varias paradas por el Mediterráneo para OceanOneK que comenzó en septiembre de 2021 con dos paradas cerca de Marsella a un avión P-38 Lightning de la Segunda Guerra Mundial a 40 m (unos 130 pies) y un submarino , Le Protée, a 124 m (aproximadamente 400 pies). El tercero fue a un barco romano del siglo II en Aléria, Córcega a 334 m (casi 1100 pies) y el Crispi fue el siguiente.

La búsqueda de un clima adecuado instó al equipo a ir a Cannes. Allí, la cámara boom del robot tuvo su primer uso para ver el interior de la cabina de un avión Beechcraft Baron F-GDPV que estaba a 67 m (más de 200 pies). La inmersión final fue a 852 m, más de media milla hacia abajo, donde, al hacer una pausa para comprobar el propulsor, el equipo descubrió, preocupantemente, que el robot no podía ascender. OceanOneK estaba en pleno funcionamiento, pero las flotaciones alrededor de la línea de comunicación y energía que conectaba con la parte superior se habían derrumbado, dejando la larga y pesada línea apilada en la parte superior del robot. Tirando de la holgura, pudieron continuar la inmersión.

Como marcador conmemorativo, OceanOneK colocó una placa en el fondo marino que decía:

El primer toque de un robot en las profundidades del fondo marino Un vasto mundo nuevo para que los humanos lo exploren

La expedición del robot OceanOneK a la marca de 1 km tomó mucho tiempo. Comenzó con innumerables horas de diseño, experimentación y ensamblaje con otros miembros del equipo en el laboratorio, docenas de viajes a la piscina de Stanford para la depuración y una miríada de lecciones por aprender antes de enfrentar la imprevisibilidad del mundo real.

El predecesor de OceanOneK, OceanOne había sido construido para alcanzar profundidades máximas de alrededor de 200 m. Para llevar el robot más profundo, los investigadores adaptaron su cuerpo con espuma especial hecha de microesferas de vidrio que brindan flotabilidad y son capaces de soportar la inmensa presión a 1 km de profundidad, una presión 100 veces mayor que la experiencia al nivel del mar. Además, los brazos del robot se llenaron con un mecanismo de resorte y aceite que comprime el aceite para que coincida con la presión exterior, evitando el colapso y amortiguando la electrónica. Los investigadores también actualizaron muchos componentes diminutos en OceanOne para minimizar la cantidad de aire comprimible que reside en las piezas individuales y mantener el robot lo más compacto posible.

OceanOneK presentó mejoras adicionales que aumentaron la versatilidad del movimiento de su brazo y cabeza, y dos nuevos tipos de manos: una desarrollada por el laboratorio de Mark Cutkosky en Stanford y otra por el profesor Antonio Bicchi de la Universidad de Pisa y el Instituto Italiano de Tecnología, IIT.

Es posible que los nadadores de la piscina recreativa Avery de Stanford en los últimos años hayan visto a OceanOneK darse un chapuzón mientras los investigadores probaban diferentes maniobras y experimentaban con herramientas. Las herramientas incluían cajas para transportar objetos y la cámara de video montada en la pluma que les permitiría ver el interior de espacios estrechos e inaccesibles, espacios a los que el robot no podía ir.

"Fueron muchos meses de pruebas, durante COVID, dos veces por semana", dijo Adrián Piedra, también estudiante graduado en el Laboratorio de Robótica de Stanford, mientras repasaban los problemas hasta que todo (táctil, control, visión) funcionó sin problemas.

Tal preparación valió la pena de muchas maneras, pero en particular cuando el equipo necesitó reparar el brazo discapacitado de OceanOneK durante su primera expedición. "Esto requería abrir el robot en pedazos en la cubierta del barco, de noche, bajo el viento y durante una tormenta", dijo Khatib. "Nuestros heroicos estudiantes, Adrian Piedra y Wesley Guo, trabajaron sin parar para reparar el robot". Su persistencia, determinación y eventual éxito asombraron a todos a bordo, según Khatib.

"El robot tiene tantas funciones y tantos componentes interrelacionados que, si se rompe una parte, es posible que necesitemos hasta un día completo para desmantelarlo, repararlo y volverlo a armar", dijo el estudiante graduado del Laboratorio de Robótica de Stanford, Bo Kim, quien viajó con OceanOne y colaboró ​​desde el campus para OceanOneK. "Todo tiene que fusionarse y funcionar simultáneamente para tener una expedición exitosa, y eso es un verdadero desafío".

Este verano, el equipo tuvo segundas oportunidades de sumergirse en el barco romano y el Crispi, luego de algunas dificultades en sus primeras visitas. Cuando interactuaron por primera vez con el barco romano, el equipo había intentado, sin éxito, recuperar una lámpara de aceite del barco. En el Crispi en febrero, una falla en el brazo impidió el uso de la cámara boom. Para las inmersiones de julio, todos los sistemas funcionaron.

OceanOneK se sumergió nuevamente en el barco romano, esta vez bajo la guía de los arqueólogos del equipo y sacó con éxito un puñado de jarrones antiguos atesorados que datan del Imperio Romano, incluidos algunos que no se habían visto anteriormente en las colecciones de DRASSM. Estos fueron hallazgos excepcionales en el sentido de que todavía llevaban el nombre y la etiqueta de su fabricante, lo que ejemplifica los beneficios de la recuperación cuidadosa de artefactos súper profundos.

En una segunda inmersión en el Crispi, Khatib extendió la cámara de la pluma hacia el casco fracturado del barco, teniendo cuidado de no tocar los bordes de la ruptura. El biólogo marino del equipo lo guió y observó ansiosamente cómo los corales exteriores daban paso a rústicos interiores (formaciones de óxido en forma de carámbanos) que mostraban los efectos de unos ochenta años de interacción bacteriana con el hierro del barco.

Piedra dijo que, en retrospectiva, ha comenzado a ver el panorama general, cuán grandes fueron los desafíos que superaron y cuán grandioso es el trabajo que lograron.

"Vamos hasta Francia para la expedición y allí, rodeados por un equipo mucho más grande, con una amplia variedad de orígenes, te das cuenta de que la pieza de este robot en la que has estado trabajando en Stanford es en realidad parte de algo mucho más grande”, dijo. "Tienes una idea de cuán importante es esto, cuán novedosa y significativa será la inmersión y qué significa esto para la ciencia en general".

El proyecto OceanOne no solo incorpora innovaciones avanzadas en háptica, robótica subacuática e interacción humano-robot, sino también nuevas oportunidades para las ciencias marinas y las actividades de ingeniería submarina, como la inspección y reparación de embarcaciones e infraestructura, incluidos pilares de puentes y tuberías sumergidas.

Se planean otras expediciones en una variedad de lugares en todo el mundo, incluidas ciudades perdidas enterradas en lagos profundos, arrecifes de coral y naufragios de importancia arqueológica a profundidades tan alejadas del alcance humano que OceanOneK presenta una oportunidad única para comprender el pasado.

“Distanciar físicamente a los humanos de espacios peligrosos e inalcanzables mientras conectan sus habilidades, intuición y experiencia con la tarea promete alterar fundamentalmente el trabajo remoto”, dijo Khatib. "Los avatares robóticos buscarán y adquirirán materiales, construirán infraestructura y realizarán operaciones de recuperación y prevención de desastres, ya sea en lo profundo de los océanos y las minas, en las cimas de las montañas o en el espacio".