ELKE, een robot ontwikkeld bij ETH, kan zien en horen, en zelfs deuren openen. Een internationaal onderzoeksteam werkt nu om ervoor te zorgen dat de robot kan functioneren in extreme omstandigheden - een missie die hen naar het labyrint van afvoeren en tunnels onder Zürich brengt.

Twee mannen tillen de 30 kilo zware hightech machine op en laten deze met een touw in de donkere schacht zakken. We trekken reflecterende overalls aan, verruil onze schoenen voor dijhoge rubberen laarzen en bevestig ze stevig aan onze outfits. Dan komt een helm, een zaklamp en wegwerphandschoenen voor ieder van ons. Volledig uitgedost, we beginnen onze afdaling, we volgen de treden langs de muur van de schacht een voor een tot we het rioleringssysteem van Zürich bereiken, vier meter onder het oppervlak.

Op deze warme herfstdag doet een team van onderzoekers ondergronds proeven. Hun doel is om te bepalen of ANYmal – een robot die gezamenlijk is ontwikkeld door Robotic Systems Lab en ANYbotics, een spin-off van ETH – zou ooit in rioleringssystemen kunnen worden ingezet. Het kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de medewerkers van de stad Zürich te helpen die regelmatig door de ongeveer 100 kilometer aan toegankelijke schachten en afvoeren onder de stad moeten lopen of kruipen en wiens taak het is om de muren en vloeren te controleren op schade. Dit werk vormt niet alleen een gezondheidsrisico, maar is ook potentieel dodelijk, aangezien de afvoeren zonder waarschuwing zeer snel vol water kunnen lopen. Een ander voordeel van robots in een dergelijke omgeving is dat ze kunnen werken in nauwe riolen die met de huidige technologie niet toegankelijk zijn.

Eerste testrun

De onderzoekers zetten de robot rechtop onder in de schacht. Het is ongeveer 50 cm lang en heeft vier gelede poten en iets dat lijkt op een hoofd dat bestaat uit een camera en verschillende sensoren.

Peter Fankhauser, mede-oprichter van de ETH-spin-off die ANYmal commercialiseert, radio's zijn collega's aan de oppervlakte, die verantwoordelijk zijn voor de coördinatie van de test en het verzenden van opdrachten naar de robot. Fankhauser draait dan met een joystick en de robot ploetert naar voren. Aangezien dit de eerste test op onbekend terrein is, hij neemt de robot gedeeltelijk over, ook al kan deze autonoom bewegen. "Het is een voorzorgsmaatregel, " zegt Fankhauser, "Alleen omdat iets in het laboratorium werkt, wil nog niet altijd zeggen dat het in de echte wereld ook zo zal zijn." Ten slotte, de omstandigheden onder de grond zijn niet wat de robot gewend is:de kamer is nat en glad, met lagere temperaturen en hogere luchtvochtigheid dan in het lab. Bovendien, het is heel, erg donker.

"Het is moeilijk om hier veel te onderscheiden, " zegt Fankhauser, bijna met een zweem van berusting in zijn stem, terwijl de robot langzaam door de ongeveer drie meter hoge en vijf meter brede tunnel beweegt. De robot zendt een uniform elektromechanisch geluid uit - een soort ritmisch gezoem - dat zich vermengt met het geluid van stromend water dat uit het nabijgelegen hoofdriool komt. We zitten in een vrij groot overloopriool met slechts een straaltje water erin. Aangezien de robot zijn eerste testrit vier meter onder het maaiveld maakt, de onderzoekers hebben de voorzorg genomen om grote hoeveelheden water te vermijden.

Zijn weg vinden in het donker

Het doel van het driejarige onderzoeksproject THING (sub-Terranean Haptic InvestiGator) is het ontwerpen van robots die zich zelfstandig kunnen voortbewegen en hun omgeving beter kunnen identificeren. Robots gebruiken over het algemeen 3D-camera's en lasersensoren voor oriëntatie. Maar dergelijke apparaten kunnen defect raken in ongunstige omstandigheden, zoals wanneer het grondoppervlak nat is of de lucht vol stof. Daarom zien de onderzoekers verbeterde haptische waarneming – oriëntatie door aanraking – als een mogelijke oplossing. Het project heeft ETH-onderzoekers samengebracht met collega's van universiteiten in Edinburgh, Pisa, Oxford en Pozna.

Al deze instellingen experimenteren met ELKE robot, en de projectdeelnemers van de verschillende locaties komen regelmatig bij elkaar. Naast de proeven in de riolering, volgend jaar zetten de onderzoekers de robot in in een Poolse kopermijn. Dat zal bepalen of het kan functioneren in een heel ander microklimaat, een gekenmerkt door hete, stoffige lucht en grindoppervlakken. ETH wordt in het project vertegenwoordigd door het Laboratory for Robotic Systems onder leiding van professor Marco Hutter, die al jaren onderzoek doet naar pootrobots. Kort nadat hij aan dit onderzoek was begonnen, kreeg hij steun van ETH in de vorm van een ESOP-beurs en een Pioneer-beurs.

Een van de centrale vragen op deze eerste testdag is of de robot überhaupt zijn weg kan vinden in de duisternis van de riolering. aanvankelijk, twee helpers met grote led-lampen verlichten de omgeving zodat we goed kunnen zien wat er aan de hand is. Vervolgens, Fankhauser asks the helpers to turn off the lamps and radios his colleagues on the surface to tell the robot to use its own lights. The robot's sense of touch isn't the only thing that helps it find its way in the dark, as Hutter explains:"The robot uses laser sensors and cameras to scan its surroundings. By identifying irregularities in the surface of the concrete, it can determine where it is at any given moment."

All that can be seen in the darkness now are the small round LEDs in the robot's "head". The atmosphere is other-worldly:the darkness, the sound of rushing water, the electromechanical whirring, the robot's LED eyes. Then someone breaks the eerie silence momentarily with a droll comment:"Its eyes are a bit like a Rottweiler."

Underground and offshore

Researchers at ETH have been working on quadrupedal robots since 2009. The first ANYmal prototype was completed in 2015 and, one year later, ETH established the spin-off ANYbotics. The fledgling company's mission is to make robots deployable in all types of terrain so that they can be used in a wide range of practical applications. The company's slogan is "Let Robots Go Anywhere". On-site tests are carried out two or three times a month. Bijvoorbeeld, Fankhauser and some members of his team recently headed to an offshore platform in the middle of the North Sea. The hope is that robots could one day perform inspections on such platforms. On its pilot run at least, ANYmal autonomously completed several inspection routes with flying colours.

After almost ten years of research, there's a lot ANYmal can do. It can not only walk autonomously, but also boasts the sensory capabilities of sight, hearing and touch. These enable it, bijvoorbeeld, to read the air pressure display on a machine, identify sounds and recognise objects – for example to determine whether or not a fire extinguisher is in the right place. The robot can even perform certain manual tasks on its own. Equipped with an additional gripping arm, it can open doors, dispose of refuse or press a lift button. It also delivers data that is more precise than our own eyes, ears and noses can perceive. It can identify the ambient temperature and detect the presence of gases in the air. Its latest trick is recognising the composition of the ground beneath it. "Some of its powers are superhuman, " says Fankhauser.

Despite the lack of light in the sewer, the robot seems to be finding its way quite well, plodding through the shallow channel at a leisurely pace. When the high-tech machine reaches a 20-centimetre-high ledge in a dry side arm of the sewer, Fankhauser brings it to a halt with a flick of the joystick. aanvankelijk, he is reluctant to give the robot the command to climb over the ledge. Although it has easily mastered this manoeuvre in laboratory conditions, down here it is a risky undertaking. "It's an expensive machine, " says Fankhauser. But he gives it a try anyway. ANYmal doesn't manage it at its first attempt. It stops at the ledge like a horse balking at a jump. "Default, start again, " radios Fankhauser. Now the robot elegantly places one leg after another over the ledge.

Huge data volumes

While Fankhauser and Hutter watch the robot continue on its patrol for a while, I return to the surface via the entry shaft. Sitting on a bench under a white canopy, their eyes firmly fixed on a laptop, are two assistants from ETH.

A generator is buzzing and a router is blinking – and many a cyclist passing by along the main road looks on in bemusement at the hubbub around the open manhole at the side of the road. Looking over the researchers' shoulders, I can see an almost constant stream of data flickering across the screen. And thanks to state-of-the-art 3-D and laser technologies, live images constantly transmitted by the robot from underground are visible on a separate monitor.

When Fankhauser radios from below that he wants the robot to touch the wall of the sewer with one of its legs, the two assistants have their work cut out for them. The software they are using has not been programmed for this. They respond quickly, echter, taking an algorithm originally programmed to teach ANYmal to shake hands. But to make sure the robot doesn't hit the wall with force, the researchers have to adapt the parameters. In dit geval, the problem is the angle at which the robot is to raise its leg. One of the assistants types in 100 and then gradually ratchets up the number. At 180 the perfect level is reached and the robot's manoeuvre is successful.

Fankhauser and Hutter emerge from the cool, humid environment of the sewerage system into the warm autumn sunshine. They slowly begin to relax as they take off their reflective overalls. "The robot was in non-stop operation and collected a lot of data, " says Fankhauser as he undoes his high rubber boots and removes his protective clothing. Professor Hutter is satisfied, too:"All the teams will be taking home a huge volume of data to incorporate in their research." They are now one step closer to their goal of delivering a robot that can function properly in challenging conditions underground. But their work is far from finished. The robot recorded 500, 000 measurements per second over the course of the day. "That's enough data to keep us busy for six months, " says Fankhauser with a laugh.