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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 à Internet e hardware de consumo, independentemente de sua experiência anterior de pilotagem”, de acordo com um artigo em Robótica Científica, “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.”
A interação humano-robô – às vezes chamada de autonomia compartilhada – que o SHARC permite, 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 operação 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 – localizados fisicamente em Chicago, Boston e Woods Hole – coletaram colaborativamente 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 Conjunto MIT-WHOI em Oceanografia/Ciência e Engenharia Oceânica Aplicada, programa de pós-graduação. 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.”
“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.”
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 em águas profundas – 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 infra-estruturas científicas submarinas, profundidade operações espaciais, descomissionamento nuclear e até mesmo remediação de munições não detonadas”, acrescentou Camilli.
O financiamento para esta pesquisa foi fornecido pela National Science Foundation (NSF), National Robotics Initiative, pelo programa Planetary Science and Technology from Analog Research (PSTAR) da NASA, pela NSF Graduate Research Fellowship e pela Link Foundation. O NOAA Ocean Exploration Cooperative Institute forneceu apoio em espécie com operações de navios e veículos robóticos durante as demonstrações de 2021 no Oceano Pacífico na Bacia de San Pedro.
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