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Venedig ist ein Synonym für Kanäle. Aber das nächste Mal, wenn Sie „La Serenissima“, wie Venedig auch genannt wird, bei einer romantischen Gondelfahrt auf sich wirken lassen, sollten Sie vielleicht Ausschau nach schwimmenden Robotern halten. Ein Forschungsteam des EU-finanzierten Projekts subCULTron hat nämlich einen Schwarm aus über 120 Wasserrobotern in Venedigs Lagune „freigelassen“.
Zwar mag es wie eine Szene aus einem Science-Fiction-Film erscheinen, aber diese autonomen Roboter spielen eine entscheidende Rolle bei den Anstrengungen der Stadt, die Folgen von Klimawandel und Umweltverschmutzung zu lindern.
„Klimawandel, Umweltverschmutzung, Massentourismus und invasive Arten sind nur einige der großen Herausforderungen, mit denen die Lagune von Venedig konfrontiert ist“, so Ronald Thenius, Forscher an der Universität Graz in Österreich und Mitglied des subCULTron-Teams. „Neue Probleme erfordern neue Lösungen und für uns ist der Einsatz von Robotern der effektivste Weg, diesen besonderen Herausforderungen zu begegnen.“
Ein Schwarm von Unterwasserrobotern
Hauptziel des Projekts war die Entwicklung eines zeitgemäßen Instruments für die Überwachung der Unterwasserwelt in großen Lagunenregionen wie Venedig. Im Gegensatz zu traditionellen Kontrollvorrichtungen sollte das System von subCULTron jedoch eine räumlich verteilte Überwachung ermöglichen. Dies bedeutet, dass es zum exakt gleichen Zeitpunkt an verschiedenen Stellen Messungen nehmen können muss, und das über einen sehr langen Zeitraum hinweg. Dazu setzten die Forschenden auf eine große Gruppe, also einen Schwarm, relativ kleiner und günstiger Roboter.
„Dieses ,Schwarmkonzept‘ steht in einem deutlichen Gegensatz zu der gängigeren Methode, einen großen, und damit teuren Roboter einzusetzen“, erläutert Thenius. „Mit unserem Ansatz können wir mehrere Messungen zur gleichen Zeit an verschiedenen Punkten durchführen und der Roboterschwarm kann außerdem autonom und an unterschiedlichen Positionen arbeiten.“
Laut Thenius ist diese einzigartige selbstorganisierende Architektur der Grund dafür, dass das Robotiksystem nicht nur Messungen nehmen, sondern auf diese sogar reagieren kann. Erkennt also das System, dass eine bestimmte Messung nicht mehr relevant ist, kann es automatisch Teile des Schwarms an einer interessanteren Stelle neu positionieren oder die Abtastrate, die für verschiedene Bereiche gilt, ändern.
Muscheln, Fische und Seerosenblätter
Das System von subCULTron besteht aus drei verschiedenen Arten von Robotern: aMussels, aFish und aPads. „Die aMussels fungieren als kollektives Langzeitgedächtnis des Systems, denn sie sorgen dafür, dass die Informationen über die Betriebszeit der anderen Roboterarten hinaus erhalten bleiben“, erläutert Thenius. „Diese Muscheln überwachen den natürlichen Lebensraum der in der Lagune beheimateten Fische, einschließlich biologischer Akteure wie Algen und Bakterien.“
Die aPads hingegen schwimmen auf der Wasseroberfläche wie ein Seerosenblatt. Diese Roboter dienen als Schnittstelle des Systems zur menschlichen Gesellschaft, denn sie versorgen den Schwarm mit Energie und Informationen aus der Außenwelt. Zwischen diesen beiden Schichten schwimmen die aFish. Das sind im Wesentlichen künstliche Fische, die sich durch das Wasser bewegen, um die Umgebung zu überwachen und zu erkunden sowie die gesammelten Informationen an die Muscheln und Seerosenblätter zu senden.
„Sobald der Schwarm ,beschließt‘, dass eine Stelle mehr Aufmerksamkeit verdient, begeben sich mehrere aMussels an die Oberfläche und werden dann von einem aPad zum neuen Überwachungsbereich transportiert“, merkt Thenius an. „Auf diese Weise kann sich der Schwarm in völliger Autonomie durch die Lagune bewegen und unterschiedliche Phänomene untersuchen.“
Schlamm als Treibstoff
Zusätzlich zu den Robotern besticht das Projekt auch durch die innovative Art und Weise, wie die Roboter mit Energie versorgt werden: durch Schlamm. „Ein großer Durchbruch ist der zuvor noch nicht erbrachte Nachweis, dass ein autonomer Roboter ausschließlich mit mikrobiellen Brennstoffzellen betrieben werden kann“, so Thenius.
Bei einer mikrobiellen Brennstoffzelle handelt es sich um ein bio-elektrochemisches System, das mithilfe von Bakterien und einem hochenergetischen Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, der im Schlamm am Grund einer Lagune zu finden ist, elektrischen Strom erzeugt.
„Diese Technologie wurde zwar bereits im Labor getestet, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von subCULTron waren jedoch die ersten, die nachgewiesen haben, dass sie im Feld für autonome Roboter eingesetzt werden kann“, so Thenius abschließend. „Dieser Durchbruch ebnet den Weg für eine Reihe spannender neuer Arten von Technologien und Innovationen.“