Nova estrutura permite a interação humano-robô para um acesso mais amplo à exploração científica em águas profundas

A exploração científica do oceano profundo permaneceu em grande parte inacessível para a maioria das pessoas devido às barreiras de acesso devido aos requisitos de infra-estrutura, formação e capacidade física para a investigação oceanográfica no mar.

Agora, uma estrutura nova e inovadora para a investigação oceanográfica proporciona uma forma para os cientistas baseados em terra, os cientistas cidadãos e o público em geral observarem e controlarem perfeitamente os processos de amostragem robótica.

A estrutura de Autonomia Compartilhada para Colaboração Remota (SHARC) “permite que participantes remotos conduzam operações a bordo e controlem manipuladores robóticos” – como em veículos operados remotamente (ROVs) – “usando apenas uma conexão básica de Internet e hardware de consumo, independentemente de sua experiência anterior de pilotagem.”

Isto está de acordo com um artigo em Robótica Científica, intitulado “Aprimorando a exploração científica do mar profundo por meio da autonomia compartilhada na manipulação remota.” A estrutura foi desenvolvida por uma equipe de pesquisa da Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e do Toyota Technological Institute at Chicago (TTIC).

A estrutura SHARC permite a colaboração em tempo real entre vários operadores remotos, que podem emitir comandos direcionados a objetivos por meio de fala simples e gestos manuais enquanto usam óculos de realidade virtual em uma representação tridimensional intuitiva do espaço de trabalho.

Através do SHARC, “podemos abrir os aspectos operacionais da exploração em alto mar a cientistas cidadãos, sejam eles crianças numa sala de aula ou pessoas que não podem estar presentes num navio devido a requisitos logísticos ou físicos”, disse o co-autor Richard. Camilli, investigador principal do projeto e cientista do Departamento de Física e Engenharia Oceânica Aplicada da WHOI. “Cientistas cidadãos podem interagir com o braço manipulador robótico do ROV em um mundo virtual, um tanto análogo ao sistema holográfico ‘holodeck’ de ficção científica usado nas naves da Federação em Star Trek.”

O SHARC permite a interação humano-robô – às vezes chamada de autonomia compartilhada – que delega responsabilidades entre o robô e o operador humano com base em seus pontos fortes complementares. O robô, por exemplo, pode lidar com cinemática, planejamento de movimento, prevenção de obstáculos e outras tarefas de baixo nível, enquanto os operadores humanos assumem a responsabilidade pela compreensão da cena de alto nível, seleção de objetivos e planejamento em nível de tarefa. Além disso, o SHARC permite operação paralela em vez de sequencial.

“Bastamos dar ao robô o seu objetivo e ele encontra uma solução”, disse Camilli. “As pessoas e o robô podem colaborar juntos, sem esperar que uma coisa aconteça para fazer a próxima. Enquanto o braço robótico executa uma tarefa, podemos nos concentrar no próximo objetivo.”

Em setembro de 2021, durante o auge da pandemia de COVID, os cientistas testaram com sucesso o SHARC. Durante uma expedição oceanográfica na Bacia de San Pedro, no Oceano Pacífico Oriental, os membros da equipe SHARC operaram o ROV híbrido Nereid Under Ice (NUI) da WHOI a milhares de quilômetros de distância, usando a realidade virtual e interfaces de desktop do SHARC.

Os membros da equipe – fisicamente localizados em Chicago, Boston e Woods Hole – coletaram de forma colaborativa uma amostra física do núcleo e registraram medições de fluorescência de raios X in-situ de tapetes microbianos e sedimentos do fundo do mar em profundidades de água superiores a 1.000 metros.

“Este artigo realmente destaca o potencial da autonomia compartilhada para ajudar a democratizar o acesso ao mar profundo”, disse a autora principal Amy Phung, que é estudante do programa de pós-graduação do Programa Conjunto MIT-WHOI em Oceanografia/Ciência Oceânica Aplicada e Engenharia. Phung foi um dos cientistas que operaram o veículo NUI durante o teste de 2021 do SHARC.

“Com o SHARC, nossa equipe em terra conseguiu coletar amostras do fundo do mar a mais de 4.000 quilômetros de distância sem hardware especializado ou treinamento prévio extenso. No futuro, acredito que novos avanços na robótica e na pesquisa de autonomia poderão algum dia permitir que os cientistas em terra, estudantes e entusiastas participem ativamente e contribuam para as operações de exploração de águas profundas à medida que ocorrem, o que por sua vez pode ajudar a promover a alfabetização oceânica entre o público em geral”, acrescentou Phung.

“Seja em terra, no ar ou no oceano, a maioria dos robôs que operam hoje o fazem de duas maneiras distintas: autonomia total ou controle remoto total por pilotos altamente treinados, sendo este último padrão para configurações como manipulação subaquática. que envolvem interações complexas entre robôs e seu ambiente. Este artigo descreve uma nova estrutura que permite que robôs operem entre esses dois extremos de uma forma que aproveite as capacidades complementares de robôs e humanos”, disse o co-autor Matthew Walter, associado professor do TTIC.

Walter também é atualmente investigador convidado do WHOI; anteriormente, ele foi aluno do Programa Conjunto MIT-WHOI. “O SHARC permite que pessoas com pouco ou nenhum treinamento executem tarefas sofisticadas com robôs de águas profundas, com supervisão de pilotos, no conforto de suas casas e escritórios por meio de uma combinação de fala e realidade virtual e, por sua vez, promete redefinir como usamos robôs para ciência e engenharia marinha”, explicou ele.

Além disso, o SHARC não depende de um tipo específico de ROV, braço manipulador ou outros fatores. “Podemos aplicar a mesma tecnologia SHARC com braços robóticos e veículos totalmente diferentes em contextos completamente diferentes”, disse Camilli. A estrutura SHARC “é flexível e independente de hardware”.

“Ao utilizar a estrutura SHARC para a exploração científica no mar profundo – que é um ambiente muito desafiador e não estruturado – destaca-se que esta tecnologia também pode ser transferível para muitos contextos operacionais diferentes, incluindo potencialmente manutenção de infraestrutura científica submarina, operações no espaço profundo , descomissionamento nuclear e até mesmo remediação de munições não detonadas”, acrescentou Camilli.