ETH-Roboter Anymal: Hightech im Schacht

ANYmal bei seiner ersten Inspek­tionstour in Zürichs Kanalisation (Bild: ETH Zürich / Daniel Winkler)
ANYmal bei seiner ersten Inspek­tionstour in Zürichs Kanalisation (Bild: ETH Zürich / Daniel Winkler)

Der an der ETH entwickelte Roboter Anymal kann sehen, hören oder Türen öffnen. Forschende aus mehreren Ländern arbeiten nun daran, dass der Roboter auch unter Extrembedingungen funktioniert. Die Mission führt sie unter anderem in Zürichs Untergrund.

Zwei Männer heben die 30 Kilogramm schwere Hightechmaschine an und lassen sie an einem Seil hinunter in die Dunkelheit des Schachts. Wir ziehen reflektierende Ganzkörperanzüge über, tauschen unsere Schuhe gegen ein Paar oberschenkellange Gummistiefel, knoten diese an den Ösen des Anzugs fest, dazu kommen noch Helm, Taschenlampe und Einweghandschuhe, dann steigen wir hinterher – entlang der Stufen in der Wand, eine nach der anderen, vier Meter tief in die Kanalisa­tion Zürichs.

Eine Gruppe von Forschern testet an diesem warmen Herbsttag, ob der vom Robotic Systems Lab und dem ETH-Spin-off Anybotics entwickelte Roboter Anymal dereinst in ­Abwasserkanälen eingesetzt werden kann. Er könnte in Zukunft die Mitarbeiter der Stadt Zürich entlasten, die regelmässig durch die rund 100 Kilometer begehbaren Schächte im Stadtgebiet gehen oder kriechen, um sie auf Beschädigungen an Boden und Wänden zu überprüfen – eine nicht nur ungesunde, sondern auch gefährliche ­Arbeit. So können sich die Schächte innerhalb von sehr kurzer Zeit mit Wasser füllen. Zudem könnte der Roboter in Kanälen operieren, die mit heutiger Technologie gar nicht zugänglich sind.

Der Roboter, den die Forscher nun in der Tiefe des Schachts auf die Füsse stellen, ist rund einen halben Meter gross und hat neben vier gelenkigen Beinen eine Art Kopf, der aus einer Kamera sowie verschiedenen Sensoren besteht. Die Maschine ist modular gebaut und kann je nach Anwendung aufgerüstet werden.

Peter Fankhauser, Mitbegründer des ETH-Spin-offs, der Anymal kommerzialisiert, funkt den Kollegen, welche die Aktion von der Oberfläche aus koordinieren und dem Roboter Befehle erteilen. Dann bedient er einen Joy-stick und der Roboter stapft vorwärts. Weil es der erste Lauf in unbekanntem Gelände ist, steuert er den Roboter teilweise, obwohl sich dieser auch autonom bewegen kann. "Eine Sicherheitsmassnahme. Wenn es im Labor funktioniert, heisst das nicht immer, dass es auch in der Realität klappt", erklärt Fankhauser. Schliesslich muss der Roboter hier unten unter komplett anderen Bedingungen funktionieren: Der nasse Kanal ist rutschig, die Temperatur tiefer, die Luftfeuchtigkeit höher als im Labor. Und: Es ist dunkel.

"Hier sieht es überall gleich aus", sagt Fankhauser, fast schon mit resignierter Stimme, als der Roboter in langsamem Schritttempo den rund drei Meter hohen und fünf Meter breiten Kanal entlanggeht. Das gleichmässige, elektromechanische Geräusch – eine Art rhythmisches Klirren – mischt sich dabei mit dem Rauschen des Abwassers, das vom nahen Hauptkanal zu uns herandringt. Wir befinden uns in einem gut ausgebauten Reservekanal, durch den derzeit nur ein kleines Rinnsal fliesst – auch das eine Vorsichtsmassnahme für den allerersten Praxistest mit dem Roboter in vier Metern Tiefe.

Tasten im Dunkeln

Das auf drei Jahre angelegte Forschungsprojekt namens Thing (sub Terranean Haptic Investigator) bezweckt, dass Roboter ihre Umgebung besser wahrnehmen können und fähig sind, sich autonom darin fortzubewegen. In der Regel orientieren sich Roboter mit 3D-Kameras und Lasersensoren, diese sind allerdings anfällig für anspruchsvolle Bedingungen – zum Beispiel Wasser am Boden oder Staub in der Luft. Deswegen sehen die Forschenden die Lösung in einer verbesserten haptischen Wahrnehmung – also die Orientierung über den Tastsinn.

Für das Projekt haben sich ETH-Forscher mit Kollegen aus Edinburgh, Pisa, Oxford und Poznan zusammengetan. Alle Hochschulen forschen mit einem Anymal-Roboter und man trifft sich regelmässig. Neben den Tests im Abwasserkanal stehen nächstes Jahr auch solche in einer polnischen Kupfermine an, wo der Roboter bei völlig anderem Klima – in staubiger und heisser Luft auf gerölligem Untergrund – funktionieren soll. Von Seiten der ETH ist das Labor für Robotersysteme vertreten, unter Leitung von Professor Marco Hutter, dessen jahrelange Forschung zu Laufrobotern schon früh von der ETH gefördert wurde – durch ein Esop-Stipendium sowie durch ein Pioneer Fellowship.

An diesem ersten Testtag ist eine der wichtigsten Fragen, ob sich der Roboter in der Dunkelheit der Kanalisa­tion überhaupt orientieren kann. Anfangs tragen zwei Helfer grosse LED-Lampen, um uns allen eine gute Sicht zu ermöglichen. Dann ordnet Fankhauser an, das externe Licht abzustellen, und funkt nach oben, man solle den Roboter anweisen, sein eigenes Licht zu benutzen. In der Dunkelheit hilft der Tastsinn, aber nicht nur. "Der Roboter scannt mit Hilfe von Lasersensoren und Kameras seine Umgebung und soll anhand von Ungleichmässigkeiten im Beton erkennen, wo er gerade ist", erklärt Hutter.

Dann leuchten nur noch die kleinen, runden LED-Lichter am "Kopf" des Roboters. Nun ist die Endzeitstimmung perfekt: die Dunkelheit, das Rauschen des Wassers, das elektromechanische Klirren, die Augen des Roboters. "Wie ein Rottweiler", sagt einer und durchbricht damit die kurzzeitig beängstigende Stille.

Unter Tag und offshore

Bereits seit 2009 wird an der ETH an vierbeinigen Robotern geforscht. Der Protoyp des Anymal entstand 2015, ein Jahr später wurde der Spin-off Anybotics gegründet, der sich zum Ziel gesetzt hat, Roboter in allen Geländen einsatzfähig zu machen – eine Voraussetzung für viele mögliche Anwendungsgebiete in der Praxis. "Let Robots Go Anywhere", lautet der Slogan der Firma. Zwei- bis dreimal pro Monat ist man für Tests unterwegs. So reisten Fankhauser und ein Teil seines Teams kürzlich auf eine Offshore-Plattform, die mitten in der Nordsee liegt. Dort könnte der Roboter einst Inspektionsaufgaben übernehmen – bei der Pilotinstallation absolvierte Anymal bereits mehrere Inspektionsrouten erfolgreich autonom.

Nach fast zehn Jahren Forschungsarbeit kann Anymal so einiges: Er bewegt sich nicht nur autonom fort, sondern ist auch mit mehreren Sinnen ausgestattet: Er kann sehen, hören oder spüren. Dadurch kann der Roboter beispielsweise die Luftdruckanzeige einer Maschine ablesen, Geräusche einordnen oder auch Objekte erkennen – etwa, um zu überprüfen, ob der Feuerlöscher am richtigen Platz ist. Auch ist er in der Lage, bestimmte Handgriffe selbst zu erledigen: Mit Hilfe eines zusätzlichen Greifarms kann er eine Tür öffnen, Abfall entsorgen oder einen Liftknopf drücken. Zudem liefert er Daten, die in vielen Belangen präziser sind als jene, die unsere Augen, Ohren oder Nasen liefern: etwa für Temperatur, Gase in der Luft oder seit Neustem auch für die Beschaffenheit des Bodens. "Er hat also einige übermenschliche Fähigkeiten", sagt Fankhauser.

Der Roboter scheint unten in der Kanalisation trotz wenig Licht gut zurechtzukommen. Gemächlich stapft er durch das Rinnsal. Bei einem rund 20 Zentimeter hohen Absatz in einen ebenfalls einigermassen trockenen Nebenkanal stoppt Fankhauser die Hightechmaschine mit seinem Joystick. Zunächst zögert er, ob er dem Roboter die Anweisung geben soll, darüber hinwegzusteigen – wiederum ein Manöver, das im Labor kein Problem wäre, hier aber mit Risiken verbunden ist. "Da steckt auch viel Geld drin", sagt Fankhauser. Trotzdem wagt er den Versuch. Im ersten Anlauf schafft Anymal die Aufgabe nicht, er stoppt noch vor dem Absatz, bockig wie ein Pferd. "Default, start again", funkt Fankhauser. Nun setzt der Roboter elegant einen Fuss nach dem anderen über die Kante.

Grosser Datenstrom

Während der Roboter im Beisein von Fankhauser und Hutter noch etwas weiterpatrouilliert, gehe ich zurück zur Schachtöffnung und steige nach oben, wo unter einem weissen Zelt zwei ETH-Assistenten auf einer Festbank sitzen, den Blick auf ihren Laptop gerichtet.

Ein Stromgenerator brummt, ein Router blinkt, und von der Durchfahrtstrasse her blickt manch ein Velofahrer verwundert auf das Geschehen rund um den offenen Schachtdeckel am Strassenrand. Über die Schultern der Forscher sehe ich einen fast unaufhörlichen Datenstrom über den Bildschirm fliessen. Auf einem externen Bildschirm sind dank modernster 3D- und Lasertechnologie Livebilder vom Roboter im Untergrund zu sehen.

Als Fankhauser nach oben funkt, dass der Roboter mit einem Fuss die Wand des Kanals berühren soll, sind die ETH-Mitarbeiter gefordert. Denn die verwendete Software ist dafür nicht vorprogrammiert. Kurzerhand verwenden sie einen Algorithmus, der ursprünglich programmiert wurde, um Anymal das Händeschütteln beizubringen. Damit der Roboter nicht mit voller Wucht gegen die Wand schlägt, müssen die Forscher die Parameter anpassen – es handelt sich in diesem Fall um den Winkel, mit dem der Roboter das Bein anheben soll. "100", tippt einer der Mitarbeiter, dann erhöht er den Wert kontinuierlich. Bei 180 passt es perfekt, das Manöver klappt.

Nun verlassen auch Fankhauser und Hutter die kühlnasse Kanalisation zugunsten der warmen Herbstsonne. Ihre Gesichtszüge entspannen sich, als sie sich ihrer leuchtenden Überkleider entledigen. "Der Roboter war nonstop im Einsatz und hat eine Menge Daten gesammelt", sagt Fankhauser, während er die langen Gummistiefel losknotet und sich aus dem Overall befreit. Auch Professor Hutter ist zufrieden. "Alle Teams nehmen ein grosses Datenset nach Hause, mit dem wir weiterforschen können." Man ist dem Ziel, dass der Roboter auch bei anspruchsvollen Bedingungen unter der Erde funktioniert, einen Schritt näher gekommen. Noch ist die Arbeit aber nicht getan, im Gegenteil: ­Rund 500 000 Messungen pro Sekunde hat der Roboter an diesem Tag aufgezeichnet. "Das reicht für ein halbes Jahr ­Arbeit", sagt Fankhauser und lacht.
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