Incontra Aquanaut, il trasformatore subacqueo

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A poca distanza da me, due astronauti si stanno esercitando per una passeggiata spaziale. Sto andando alla deriva senza peso, in un silenzio rotto solo dal mio respiro e dall'occasionale aggiornamento del Controllo Missione nelle mie cuffie. Ma questo non è il vuoto oscuro dello spazio. Sono a Houston, immersioni subacquee in una grande piscina che la NASA usa per addestrare gli astronauti per ambienti a gravità zero. E anche se è un'emozione vedere le figure spaziali al lavoro, non sono venuto a vederle. Sono qui per dare un'occhiata a Aquanaut, il robot arancione brillante con cui dividiamo la piscina.

Aquanaut scivola dolcemente attraverso l'acqua come un sottomarino in miniatura. All'inizio non sembra molto diverso da altri veicoli subacquei non pilotati, o UUV, dotati di sensori per la raccolta dati e propulsori per la propulsione. Poi, in quella che potrebbe essere una scena del film Transformers, la parte superiore dello scafo del robot si alza dalla base, esponendo due braccia massicce che si aprono da entrambi i lati. Una testa a forma di cuneo piena di sensori ruota in posizione e in pochi secondi la trasformazione è completa. L'elegante sottomarino è ora un robot mezzo umanoide, pronto a mettersi al lavoro.

Aquanaut rappresenta un nuovo design radicale che i suoi creatori, in una startup chiamata Houston Mechatronics Inc. (HMI), la speranza cambierà completamente la robotica sottomarina. Gli UUV convenzionali si suddividono tipicamente in due categorie: sommergibili per il nuoto libero di tipo torpedone, che vengono utilizzati per le missioni di rilevamento a lunga distanza, e macchine a distanza a cassoni, che sono collegate per supportare le navi e utilizzate per la manipolazione subacquea. HMI vuole combinare entrambe queste modalità in un unico robot. E' un approccio coraggioso che nessuno ha mai provato prima d'ora.

Gli ingegneri HMI, che spesso scherzano sul fatto che la costruzione di un Transformer è stato uno dei loro obiettivi di carriera a lungo termine, sono convinti che sia possibile farlo. Aquanaut è stato progettato principalmente per la manutenzione di impianti petroliferi e a gas sottomarini. Le aziende che possiedono e gestiscono questa infrastruttura spendono ingenti somme di denaro per ispezionarla e mantenerla. Si affidano a tecnologie robotiche che non sono cambiate sostanzialmente da decenni, soprattutto a causa della sfida di lavorare in un ambiente così estremo. Per HMI, tuttavia, questo non è un problema: dei suoi 75 dipendenti, più di due dozzine lavoravano per la NASA. Gli ambienti estremi sono quello in cui sono migliori.

Nic Radford, cofondatore di HMI e Chief Technology Officer, ha lavorato per 14 anni su progetti di robotica avanzata presso il Johnson Space Center della NASA, a Houston. "Ti garantisco che andare nello spazio è più difficile che andare sott'acqua", dice. "Ma lo spazio è un ambiente incontaminato. Sott'acqua, le cose sono straordinariamente dinamiche. Non ho ancora deciso se è 10 volte più difficile o 50 volte più difficile per i robot che lavorano sott'acqua che nello spazio"

Radford e i co-fondatori Matt Ondler e Reg Berka hanno raccolto più di 23 milioni di dollari in capitale di rischio dall'inizio dell'HMI nel 2014. Ora, dopo innumerevoli iterazioni di progettazione, Aquanaut si sta finalmente riunendo. Prima di raggiungere l'oceano aperto, però, il robot deve dimostrarsi in condizioni più controllate, il che significa nuotare nella piscina della NASA.

Con 23,5 milioni di litri d'acqua e una profondità massima di 12 metri, il Neutral Buoyancy Laboratory della NASA, o NBL, è abbastanza grande da contenere un modello completo della maggior parte della Stazione Spaziale Internazionale, con spazio libero. Gli astronauti si allenano per le passeggiate spaziali all'NBL, arrivando il più vicino all'assenza di peso possibile qui a terra. In questa tarda mattinata di marzo, HMI ha rilevato l'estremità nord dell'impianto per testare Aquanaut.

Dieci metri più in basso e con due bombole di nitrox sulla schiena, cerco di mantenermi stabile mentre seguo il robot che si muove attraverso l'acqua. Aquanaut è stato in un unico pezzo solo per circa otto giorni, ma i test stanno andando bene. L'unico inconveniente è un problema di comunicazione con le braccia, ma il team di HMI non si ferma; sanno che c'è ancora molto lavoro da fare, e il robot tornerà qui all'inizio di domani.

Radford mi dice che gli piace la frenetica routine di gestire una startup, un netto contrasto con il ritmo tipico di un'enorme agenzia governativa come la NASA. Prima di HMI, ha trascorso cinque anni come ingegnere capo del programma Robonaut della NASA, sviluppando un robot umanoide che ha volato fino alla Stazione Spaziale Internazionale, e più tardi ha guidato lo sviluppo di Valkyrie, una piattaforma umanoide ancora più sofisticata. Nel suo ufficio alla HMI, piccoli modelli di prototipi di Aquanaut stampati in 3D si integrano perfettamente con l'arte murale con Valkyrie e Marvel's Iron Man.

La maggior parte di ciò che vediamo e sentiamo parlare dell'industria petrolifera e del gas offshore comporta il lavoro svolto da piattaforme, dove le persone conducono operazioni di perforazione subacquea dalla superficie. Le piattaforme sono la parte più visibile del processo, ma c'è un'enorme quantità di infrastrutture complesse anche sul fondo marino.

Le teste di pozzo sul fondo dell'oceano sono coperte da gruppi metallici utilizzati per controllare il flusso di idrocarburi in superficie. Queste strutture, ricoperte da tubi, valvole, collettori e manometri, sono così intricate che sono comunemente conosciute come alberi di Natale. Alcuni hanno le dimensioni di un edificio di quattro piani.

Per eseguire la manutenzione ordinaria di una testa di pozzo, o per modificare l'uscita del pozzo, alcune delle valvole sull'albero devono essere girate, e con pozzi in acque profonde - sotto i 300 metri, dove normalmente i subacquei non operano - l'unico modo per farlo è con un veicolo robotizzato.

Per decenni, la procedura stabilita per lavorare su pozzi in acque profonde è stata quella di inviare un veicolo subacqueo telecomandato, o ROV, al sito del pozzo. Ma non si può inviare il ROV solo per se stessi - si deve anche inviare una grande nave di supporto piena di persone altamente addestrate per servire come base operativa per il ROV, che ha poca o nessuna autonomia ed è legato alla superficie per l'alimentazione e il controllo. Questo diventa molto costoso molto rapidamente, con lavori tipici che costano da decine a centinaia di migliaia di dollari al giorno.

Il piano di HMI è quello di tagliare il cordone tagliando la maggior parte del bisogno di persone insieme ad esso. Aquanaut non avrà bisogno di un laccio o di una nave appoggio. Viaggerà in modalità sottomarina fino alla sua destinazione in acque profonde, dove si trasformerà nella sua forma umanoide, dispiegando le sue potenti braccia. Ogni braccio è dotato di sensori di forza-torque e ha otto assi di movimento, simili a quelli di un braccio umano. I bracci di Aquanaut sono inoltre dotati di pinze in grado di ruotare le valvole sugli "alberi" sottomarini e persino di attrezzi di manutenzione specializzati che il robot porta con sé in un vano di carico utile interno.

Aquanaut svolgerà compiti con operatori umani che supervisionano ma non lo controllano direttamente. E una volta terminato il lavoro, il robot tornerà autonomamente a casa. Radford dice che l'approccio renderà Aquanaut sia più veloce da implementare che meno costoso da operare rispetto ai ROV di oggi. Egli stima che i costi potrebbero essere ben al di sotto della metà del tasso di mercato di un'operazione tradizionale.

Il tempismo sembra giusto. Secondo Chuck Richards , un pioniere della tecnologia sottomarina che attualmente presiede il Comitato ROV della Marine Technology Society, con sede a Washington D.C., il basso prezzo del petrolio negli ultimi anni ha ridotto i profitti e portato ad una maggiore concorrenza tra le compagnie petrolifere, guidando l'adozione di nuove tecnologie. Richards, la cui azienda, C.A. Richards & Associates, a Houston, fornisce attrezzature a decine di società sottomarine, tra cui HMI, spiega che mentre l'industria sarà probabilmente cauta su un'innovazione come Aquanaut, sarà anche entusiasta di vedere cosa può fare il robot.

Richards spiega che quando i benefici della tecnologia ROV commerciale sono diventati evidenti dopo la sua introduzione negli anni '70, l'industria era desiderosa di abbracciarla, anche se all'inizio le cose erano un po' difficili. "Le compagnie petrolifere sono state molto disponibili e pazienti con l'industria della ROV man mano che maturava", dice, "e penso che saranno allo stesso modo con un veicolo più autonomo"

Il vantaggio principale di Aquanaut rispetto ai ROV convenzionali dipende dal suo funzionamento non collegato, e HMI ha dovuto risolvere diversi problemi chiave per attivare tale capacità. Il primo è semplicemente portare il robot al cantiere offshore senza una grande nave di supporto. Mentre Aquanaut può essere utilizzato da una barca relativamente piccola, o addirittura lasciato cadere da un elicottero, il robot può percorrere più di 200 chilometri in modalità sottomarino. Una volta arrivato, il robot si trasforma in modalità ROV, con ulteriori propulsori nascosti all'interno dello scafo per renderlo più maneggevole.

La trasformazione stessa è stata un'altra grande sfida e fonte di molti dibattiti interni. "Ci siamo battuti per dimostrare che non c'era bisogno di farlo", dice Sandeep Yayathi, l'ingegnere capo di Aquanaut, che prima di HMI era il responsabile dell'alimentazione del rover Lunar Prospector alla NASA. Ma alla fine il gruppo ha deciso che i benefici hanno superato la complessità aggiuntiva: Stavano per costruire il loro Transformer subacqueo.

Per consentire ad Aquanaut di modificare così drasticamente la sua forma, il robot è dotato di quattro attuatori lineari personalizzati che separano la metà superiore e quella inferiore del suo corpo. Motori aggiuntivi, anch'essi altamente personalizzati e alloggiati in custodie impermeabili, guidano le braccia e la testa. Per l'alimentazione, Aquanaut utilizza una batteria agli ioni di litio simile a quelle delle auto elettriche. La trasformazione completa attualmente richiede solo 30 secondi.

Ma forse nessuna di queste sfide è così importante come progettare il sistema di controllo di Aquanaut. I ROV tradizionali hanno molteplici feed di telecamere in diretta, e gli operatori umani manovrano questi veicoli con joystick in tempo reale. Senza collegamento, l'unico modo per comunicare con Aquanaut è attraverso un modem acustico. Questa tecnologia consolidata ha una portata di poche decine di chilometri sott'acqua, al prezzo di alta latenza e larghezza di banda molto bassa, nel quartiere di pochi kilobyte al secondo, nel migliore dei casi. HMI prevede di affidarsi a piccole navi di superficie non presidiate per fungere da relè tra il robot e i satelliti di comunicazione, e da lì Aquanaut può essere controllato da qualsiasi parte del mondo. Tuttavia, questi vincoli rendono il controllo umano diretto impraticabile, quindi Aquanaut dovrà fare tutto il possibile da solo.

HMI sta pianificando di mantenere un alto livello di controllo di supervisione su Aquanaut, delegando la maggior parte delle decisioni di basso livello ai potenti computer di bordo del robot, che eseguono il Robot Operating System, o ROS, una popolare piattaforma software per robot di ricerca e commerciali. Utilizzando la suite di sensori nella testa, che include telecamere stereo, un sensore di luce strutturato e un sistema di sonar, il robot costruisce un rendering 3D dettagliato dell'ambiente circostante. Ma invece di tentare di inviare l'intera mappa 3D all'operatore, vengono trasmesse solo sezioni molto piccole e altamente compresse, e l'operatore può quindi abbinarle a un modello esistente della struttura che Aquanaut sta guardando.

L'operatore invia quindi semplici comandi, come "Girare la valvola a queste coordinate di 90 gradi in senso orario" Il robot deciderà autonomamente come afferrare la valvola e quanta forza applicare durante la tornitura, e invierà una conferma quando l'operazione sarà completata. L'operatore sta ancora dirigendo le azioni del robot, ma in un modo che non richiede di governare il robot a mano o un'intensa trasmissione video in diretta a banda larga.

Il piano a lungo termine di HMI è di vendere gli interventi di Aquanaut come servizio. Utilizzando piccole flotte di robot distribuiti in aree come il Mare del Nord o al largo delle coste della California, le compagnie petrolifere e del gas dovrebbero semplicemente richiedere che un determinato compito sia completato, e HMI dovrebbe quindi programmare il robot più vicino per occuparsene. Radford dice che ci vogliono circa sette persone per far funzionare una singola ROV tradizionale. "Pensiamo di poterlo invertire", dice. "Pensiamo che un solo operatore potrebbe gestire sette Aquanaut."

Con una connessione a bassa larghezza di banda e un operatore solo intermittente nel loop, ci può essere un rischio maggiore che qualcosa vada storto, dice Matthew A. Franchek , professore di ingegneria meccanica all'Università di Houston e direttore dell'International Subsea Engineering Research Institute. "L'incertezza è lì", dice. "Sono preoccupato per un malfunzionamento durante un'operazione, che potrebbe avere conseguenze finanziarie e ambientali. Anche se la tecnologia è eccitante, dovranno dimostrare che funzionerà"

Dopo tre estenuanti giorni di test di Aquanaut alla NBL, il team festeggia con un bollito di gamberi nel parcheggio dietro l'ufficio HMI, accompagnato da improbabili lattine di Robot Fish IPA, provenienti da una fabbrica di birra di Brooklyn, N.Y. Storie sulla robotica alla NASA scorrono veloci come la birra, mentre io imparo a giocare a cornhole e a succhiare il succo dalle teste di gamberi.

Un senso di sollievo per il fatto che il test è andato bene si trasforma facilmente in eccitazione per il futuro. Radford spiega che l'attuale versione di Aquanaut è principalmente una piattaforma di dimostrazione e test, progettata per acque relativamente poco profonde con una profondità operativa massima di 300 metri. Mentre questa versione potrebbe effettuare operazioni commerciali in molte parti del mondo, HMI è già in fase di progettazione di una versione scalabile che sarà in grado di percorrere diverse centinaia di chilometri e raggiungere profondità di 3.000 metri, necessarie per la manutenzione di aree come il Golfo del Messico.

E, naturalmente, le operazioni commerciali non sono le uniche cose che HMI sta esplorando per Aquanaut. Radford non ha potuto parlare con me nel verbale di qualsiasi potenziale lavoro con il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, ma alla fine del 2018 la Defense Advanced Research Projects Agency ha annunciato un programma chiamato Angler alla ricerca di proposte per "sviluppare un sistema autonomo sottomarino in grado di navigare e manipolare fisicamente gli oggetti sul fondo del mare" L'illustrazione di DARPA che accompagna l'annuncio presenta un sottomarino robotico a due bracci, un concetto che fa ben sperare per una certa azienda di Houston.

La festa continua all'esterno, ma la gente sta già iniziando a tornare alle loro scrivanie, con l'intento di preparare Aquanaut per il prossimo test NBL. La sua prima dimostrazione in mare aperto si svolgerà probabilmente in agosto in occasione di un'esercitazione di tecnologia navale nel Rhode Island. Per un robot che era in pezzi a marzo, è una linea temporale aggressiva, ma Radford è sicuro che il suo team è in grado di gestirla.

Incontra Aquanaut, il trasformatore subacqueo