Finders, keepers: search and rescue robots evolve

Als Dr. Ivana Kruiff-Korbayova nach dem heftigen Erdbeben von 2016 über die Ruinen der italienischen Bergstadt Amatrice ging, entdeckte sie einen kleinen roten Schuh. „Es blieb kaum etwas stehen“, erinnert sie sich. „Und um die Ecke reiften Trauben und Tomaten in einem winzigen Garten – aber war jemand übrig, um sie zu ernten?“

Als Leiterin der Gruppe sprechende Roboter am Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) war sie kurzfristig gerufen worden, um mit ihrer experimentellen Robotertechnologie nach dem Erdbeben zu helfen, das eine Reihe von Bergdörfern in Mittelitalien verwüstete, 295 Menschen tötete und 4.000 obdachlos machte. Amatrice, „die Art von malerischem Dorf, in dem man Urlaub machen würde“, war am schlimmsten betroffen, und die Hälfte der meist historischen Gebäude der Stadt bröckelte. Ganze Straßen durch die italienischen Hügel waren weggefallen, und Straßen waren nicht wiederzuerkennen.

Kruiff-Korbayova und ihre Forscherkollegen begannen eine Woche nach dem Beben mit der Arbeit mit italienischen Feuerwehrleuten, „als die Hoffnung, weitere Überlebende zu finden, verschwunden war“, und die Rettungsdienste dringend wissen mussten, welche Strukturen sicher waren. Zwei mittelalterliche Kirchen waren wackelig, standen aber immer noch inmitten der Trümmer, und das Team des von der EU unterstützten TRADR-Projekts (für robotergestützte Katastrophenhilfe) reiste aus ganz Europa an, um zu helfen. Wenn Gebäude beschädigt sind, können sie auf unterschiedliche Weise einstürzen, seitlich umkippen oder Pancake-Flat – und eine detaillierte Recce hilft Experten, einen Plan zu machen.

Der Einstieg war nicht einfach, aber die bodengestützten Roboter des Teams waren in der Lage, Trümmer zu überqueren, um die Kirche aus den Augen ihres Bedieners zu betreten und durch das Innere zu streifen und Bilder aufzunehmen, mit denen das Team detaillierte 3D-Modelle der bestehenden Gebäude erstellte. „Sie waren schwer beschädigt, rissige Wände, eingestürzte Decken und überall Staub und Schutt.“

Drohnen ergänzten das Bild mit einem Live-Feed der bodengestützten Roboter und einer weiteren Drohne, die die Kirche betrat. „Das hatten wir noch nie gemacht“, sagt Kruiff-Korbayova. „Wir hatten mehrere Roboter gleichzeitig eingesetzt, aber noch nie in einer so engen Teamzusammenarbeit – es war ein erstaunlicher Erfolg.“

Jedes Jahr töten Naturkatastrophen etwa 90.000 Menschen und betreffen fast 160 Millionen Menschen auf der ganzen Welt. Nach Katastrophen wissen Such– und Rettungsteams, dass es wichtig ist, Überlebende so schnell wie möglich zu finden – je länger die Verzögerung dauert, desto mehr Leben gehen verloren.

„Wenn Sie glauben, dass Sie Leben retten können, gehen Sie größere Risiken ein“, sagt der private Feuerberater Andy Elliott. Nach einem Brand sind Gebäude zerbrechlich, wassergeschädigt und einsturzgefährdet. Es kann live gas und strom innerhalb, oder gefährliche materialien wie acetylen in geschlossenen räumen. „Sie brauchen genaue Risikobewertungen“, sagt er. „Beschädigte Gebäude sind gefährliche Orte.“

Viele britische Feuerwehren verwenden bereits Drohnen, um Ereignisse zu verfolgen, sagt Elliott. Drohnen übertragen auch die Auswirkungen von Naturkatastrophen – im vergangenen August zeigten Luftbilder die Verwüstung der Bahamas nach dem Hurrikan Dorian.

Im April 2019 gaben kamerabasierte Drohnen in Echtzeit Details über die Flammen in der Kathedrale Notre Dame in Paris weiter – mit entscheidenden Informationen darüber, wie intensiv das Feuer war und wie es sich ausbreitete. Ein ferngesteuerter Roboter namens Colossus sprühte Wasser in das Innere der gotischen Struktur und bewahrte die Feuerwehrleute vor dem Risiko, Holz zu stürzen. Der von Shark Robotics hergestellte Roboter bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von maximal 1 m / s und trug eine Kamera mit hochauflösender Rundumsicht und Wärmebild sowie einen motorisierten Wasserwerfer.

Roboter in ein Katastrophengebiet zu bringen, um auf dem Boden herumzustochern, ist keine leichte Aufgabe. Wenn Sie ein Roboter sind, ist die Welt voller Hindernisse.

Drohnen werden häufig von Rettungsdiensten eingesetzt, haben jedoch Schwierigkeiten, auf engstem Raum zu fliegen, können nicht viel tragen und sind durch die Akkulaufzeit begrenzt. Landroboter kämpfen mit Treppen, Trümmern und Türöffnungen.

„Roboterschlangen sind eine Möglichkeit, das Problem der engen Räume zu lösen“, sagt Dr. Emma Rushforth, Direktorin von Warwick Mobile Robotics an der University of Warwick, „aber sie sind unglaublich komplex zu erstellen.“

Ihre Robotikstudenten sind mit den Gefahren von Katastrophengebieten bestens vertraut und verfeinern einen mit einem Roboterarm ausgestatteten Raupenroboter, um Überlebende in den Trümmern von Katastrophengebieten zu finden. Ihr Bot kann Bordsteine und Treppen erklimmen und durch Schlamm reisen. Seine Designer werden seine Fähigkeiten bei der RoboCup Rescue League testen – einem internationalen Robotik-Event, bei dem Such- und Rettungsroboter einige schwierige Szenarien angehen. „Jahr für Jahr versuchen wir es zu verbessern, aber die Schwierigkeiten sind immens.“

Es ist schwer, etwas zu fahren, das man nicht sieht; „Es ist nicht wie ein Weihnachtsspielzeug“, sagt Rushforth. Die Bediener verlassen sich auf die vom Roboter weitergeleiteten Bilder, die ein vernünftiges Signal erfordern – und das ist nicht immer durch dicken Schutt oder unter der Erde möglich. „Sie stoßen an die Grenzen der Batterielebensdauer und der mechanischen Fähigkeiten – es ist eine Herausforderung, die für die intelligenten autonomen Aufgaben erforderlichen Computer einfach mit Strom zu versorgen“, sagt sie.

Während sich Roboter in Japans zerstörtem Kraftwerk Fukushima Daiichi, das durch den Tsunami 2011 beschädigt wurde, in den Film gewagt haben, spielt die Strahlung mit dem Signal. Aber auch das Ziehen eines Kommunikationskabels durch ein Katastrophengebiet sei mit Schwierigkeiten verbunden, sagt sie. Fortschritte bei Batterien, Motoren und Materialien werden dazu beitragen, Such- und Rettungsroboter zu verfeinern, um sie schließlich für ihren Zweck geeignet zu machen.

Einige der größten Probleme treten jedoch auf, wenn Roboter auf Wasser stoßen. Professor Auke Ijspeert ist sich dessen bewusst. Er ist Leiter des Biorobotik-Labors an der Schweizer EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) und Experte für Computational Neuroscience und maschinelles Lernen.

Seit acht Jahren bauen Ijspeert und seine Kollegen einen Amphibienroboter, der von der Natur inspiriert ist. Und nachdem er den schlendernden Gang und die Schwimmbewegung eines Salamanders studiert hatte, hat sein Team Algorithmen entwickelt, die die Natur in Roboterform nachahmen und daraus den „Pleurobot“ entwerfen – eine fantastisch komplexe segmentierte Kreation mit „einer kleinen Mikrosteuerung in jedem Segment, so dass es keinen einzigen Fehlerpunkt gibt“, sagt Ijspeert. „Es ist sehr robust.“ Und Pleurobot geht und schwimmt unheimlich wie die reale Sache – obwohl es einen maßgeschneiderten Trockenanzug erfordert. „Es ist eine Herausforderung, es wasserdicht, staubdicht und robust zu machen, ebenso wie den richtigen Kompromiss zwischen Größe und Gewicht zu finden.“

Ijspeert begleitet Schweizer Such- und Rettungsteams bei regelmäßigen Übungen auf ihrem realistischen Trainingsgelände mit zerstörten Gebäuden, um zu verstehen, was die Einsatzkräfte in der Hitze des Gefechts brauchen. „Wir wollen ein Rettungsteam nicht ersetzen, sondern ergänzen, wenn es für Menschen oder Hunde zu gefährlich ist“, sagt er.

Roboter können Daten sammeln, um detaillierte 3D-Karten zu erstellen, mit Infrarotkameras nach Überlebenden suchen und sogar Verkehrsverbindungen für die bidirektionale Kommunikation herstellen. „Unsere Roboter haben eine Nutzlastfähigkeit, so dass sie Wasser und Medikamente transportieren können“, sagt Ijspeert.

Während der Pleurobot eher ein akademisches Unterfangen ist, sind einige der Robotikkollegen von Ijspeert am Laboratory of Intelligent Systems der EPFL damit beschäftigt, praktische Anwendungen zu entwickeln.

‚ In Zukunft wollen wir einem Rettungsteam helfen, schneller, sicherer und effizienter zu sein – möglicherweise mit einer Flotte von Robotern, um viele Dinge gleichzeitig zu erkunden.‘

Wie jeder Such- und Rettungsfachmann Ihnen sagen wird, behindern Trümmer und enge Quetschungen die Suche nach Überlebenden. Inspiriert von Vögeln, die sich durch Falten ihrer Flügel durch enge Lücken quetschen, haben Robotiker der EPFL und der Universität Zürich eine „faltbare“ Drohne gebaut – einen Quadrocopter, der seine Form ändern kann, um durch enge Ritzen zu gelangen. Dies ermöglicht es, auf engstem Raum zu manövrieren. Vier Arme, die mit vier Propellern ausgestattet sind, können sich unabhängig voneinander bewegen, und ein Steuersystem passt den Schub an, wenn sich der Schwerpunkt verschiebt, sodass die Drohne stabil bleibt. In Zukunft hofft das Team, dass es noch anpassungsfähiger und mit genügend Autonomie ausgestattet sein wird, um auf Anweisungen wie „Betreten Sie das Gebäude, inspizieren Sie jeden Raum und kehren Sie dann zurück“ zu reagieren.

Die Ausbildung der Notfallbesatzung für den Betrieb von Drohnen bereitet den Diensten zusätzliche Kopfschmerzen, und Wissenschaftler der EPFL untersuchen die Machbarkeit eines haptischen Anzugs – einer ‚Fliegenjacke‘ –, der es einem Bediener ermöglichen würde, die Drohne mit Körperbewegungen und drehenden Armen physisch zu fliegen, mit einer Schutzbrille, die an eine Bordkamera angeschlossen ist, und die Hände frei zu lassen, um Bereiche von Interesse zu lokalisieren, möglicherweise mit Hilfe von Datenhandschuhen.

Eine weitere gute Idee aus den Schweizer Labors sind kleine Drohnen, die Objekte mit Winden und Greiftechnologie, die von Geckos und Insektenfüßen inspiriert sind, mehr als das 40-fache ihres Gewichts verschieben können. In Zusammenarbeit könnten diese Mikro-Zerrroboter einen Türgriff Lasso, um eine Tür zu öffnen. Oder eine Drohne, die von Insektenflügeln inspiriert ist – so gebaut, dass sie beim Fliegen starr bleibt, sich aber bei Kollisionen biegen kann, um Schäden zu begrenzen.

Einige Entwürfe sind unverschämt experimentell, sagt Ijspeert, aber sie gehen die wichtigen Fragen an, wie viel Autonomie eine Flotte fliegender Roboter haben soll, welches Situationsbewusstsein sie benötigen und wie ein Mensch am besten mit ihnen interagiert sowie wie man mit einem überfluteten Keller oder einem eingestürzten Boden umgeht.

„In Zukunft wollen wir einem Rettungsteam helfen, schneller, sicherer und effizienter zu sein – möglicherweise mit einer Flotte von Robotern, um viele Dinge gleichzeitig zu erkunden.“

Während Roboter Orte erreichen, die Menschen nicht erreichen können, sind sie Rettungshunden noch nicht gewachsen. „Die Wissenschaft hat noch einen langen Weg vor sich, um aufzuholen“, sagt der Feuerwehr- und Rettungshundeführer Robin Furniss aus Hampshire, dessen Hunde während der Erdbeben in Nepal und Japan zur Arbeit ausgeflogen wurden. „Feuerwehren haben massive Technologie, die sie unterstützt, aber Hunde sind immer noch der erste bevorzugte Anruf.“ Seine Hunde wurden benutzt, um nach Überlebenden zu schnüffeln, als das stillgelegte Kraftwerk Didcot 2016 zusammenbrach, und um umgestürzte Klippen in Dorset im Jahr 2012 und viele weitere Vorfälle.

„Hunde können in Minuten suchen, was ein Team von Feuerwehrleuten Tage dauern würde“, sagt er. „Ihr Geruchssinn ist phänomenal – sie können einen halben Teelöffel Zucker erkennen, der in einem olympischen Schwimmbad gelöst ist.“ Wissenschaftler fangen an, mit Hunden zu experimentieren, um Roboter in eine Katastrophenstelle zu transportieren – Furniss stattete seine Hunde mit Sendern aus, um Live-Signale zurückzugeben, obwohl die Übertragung durch Trümmer problematisch war.

Nachdem Ijspeert und seine Kollegen die Rettungsdienste in Aktion gesehen haben, sind sie optimistisch, aber realistisch. „In der Robotik-Community können wir ziemlich naïv sein. Und wir müssen demütig sein angesichts der erstaunlichen Dinge, die von der Rettungsgemeinschaft erreicht werden – wir werden ihnen helfen, aber wir werden sie niemals ersetzen.“