在地球,有一半的生物在海洋中生存,并且,海洋还为地球提供约一半的氧气。但海洋污染问题存在已久,仅塑料垃圾就数量庞大。据中国生物多样性保护与绿色发展基金会发布的消息,“每年都有多达1200万吨塑料垃圾最终流入海洋,预计至2040年将增加两倍。” 海洋垃圾约94%存在于海洋底部,人类如果想彻底地清理海洋垃圾,无论从消耗时间、费用、安全性还是技术难度来说,都是一项巨大的挑战。潜水员的清理作业通常仅在海洋表面,并且工作量和工作效率有限,那么对于具有潜在危险的深海,清理海洋垃圾是否有更好的选择?或许可以考虑用机器人代替人类。
可收集水下垃圾的机器人组合系统 最近,慕尼黑工业大学(简称TUM)参与了SeaClear项目,该项目由8家机构共同合作,开发了可收集海底垃圾的机器人系统。不仅可自主收集海洋垃圾,还将它们分类,并且准确率有望达到80%。 此外,TUM团队在2021年11月23日,以《Koopman算子动力学模型:学习、分析和控制》为题在AnnualReviewsinControl发表了相关论文。
相关论文 那么,这种机器人系统有哪些优势?具体是如何工作的? 它使用多波束测深仪探测海底的目标区域,产生海底水深图。这用于垃圾收集的参考,有关垃圾的其他信息如环境、位置、大小等都可在该“水深图”中获取。 该机器人系统并非一个机器人,而是结合了四个具有不同功能机器人的“组合”,分别是无人水面舰艇、观察机器人、收集机器人以及空中无人机。它们既各自作业,又合作互动。首先,无人水面舰艇对海底的目标区域进行初步扫描,特别是一些大型垃圾,如轮胎或管道可能已经会从测深数据中检测到,同时被标记在地图。
无人水面舰艇进行初步扫描 然后,观察机器人Litter潜入海底,针对海底目标区域的小型垃圾进行近距离扫描。Litter利用人工智能、深度学习对象识别技术,通过使用相机和前视声呐,以及其他传感器(如金属探测器)来获取相关信息。这些深度网络经过训练,可区分海洋垃圾和海洋生物,从而确保系统只收集海洋垃圾而不会牵连其他。
观察机器人Litter 空中无人机与无人水面舰艇用数据系绳连接。如果海水足够清澈,空中无人机(DJIMatriceM210RTK)在空中可帮助识别更多的海洋垃圾(如大垃圾袋);如果水域较浑浊,该无人机则通过扫描目标区域周围的障碍物提供帮助。
收集机器人回收海洋垃圾 根据无人水面舰艇、观察机器人、空中无人机收集的数据,它们的结果综合后会生成虚拟地图,收集机器人Tortuga根据地图上垃圾的定位点进行有序的垃圾收集。它使用定制的抓手将较大的碎片放入收集篮中,待垃圾任务结束收集篮再由船拖到岸边。 在一些复杂的海洋环境中,它也可以有条不紊地进行垃圾采集。比如当垃圾在海洋植物之间,Tortuga会根据情况,使用抽吸装置或高精度地采集。
具有网状结构壁和性体唇缘界面的收集篮 简单来说,机器人系统清理海洋垃圾的程序为扫描定位、观察海底环境、提供环境数据、收集垃圾放入收集篮、将收集篮由船收回。为了确保机器人顺利、有效地清理海洋垃圾,其工作效率和精准度是核心因素。研究人员通过机器学习的方法,一个AI模块可以执行运算并学习机器人以特定方式移动,这使得精确预测其行为成为可能。 SeaClear首席研究员桑德拉·希尔奇(SandraHirche)教授表示,机器人的计算能力仍然是一个棘手的问题,他说道:“我们没有连接到配备超级计算机的大型数据中心,因此,需要在有限资源下运行的高效算法,我们正在使用高效采样方法,以最少的数据进行精确预测,AI系统只是丢弃了不必要的信息。” 据SeaClear估算,未来该机器人系统投入运行,海底垃圾分类准确率可达到80%,并可有效回收其中的90%,这与潜水员清理海洋垃圾的工作效率相当。 2021年10月,该系统原型机的初步试验在克罗地亚杜布罗夫尼克完成,该区域海水清澈,能见度条件好。相关工作人员表示,2022年5月,他们计划在德国汉堡港进行进一步的试验。
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