ALLTID, en robot utvecklad vid ETH, kan se och höra, och till och med öppna dörrar. Ett internationellt forskarlag arbetar nu för att säkerställa att roboten kan fungera under extrema förhållanden – ett uppdrag som tar dem till labyrinten av avlopp och tunnlar nedanför Zürich.

Två män lyfter den 30 kilo tunga högteknologiska maskinen och sänker ner den i det mörka schaktet med hjälp av ett rep. Vi tar på oss reflexoveraller, byt ut våra skor mot lårhöga gummistövlar och fäst dem ordentligt på våra outfits. Sedan kommer en hjälm, en ficklampa och engångshandskar till var och en av oss. Fullt utrustat, vi börjar vår nedstigning, följer stegen nerför schaktväggen en efter en tills vi når Zürichs avloppssystem, fyra meter under ytan.

Denna varma höstdag utför ett team av forskare tester under jorden. Deras mål är att avgöra om ANYmal – en robot som utvecklats gemensamt av Robotic Systems Lab och ANYbotics, en avknoppning från ETH – en dag skulle kunna användas i avloppssystem. Den kan användas, till exempel, att hjälpa staden Zürichs anställda som regelbundet måste gå eller krypa genom de cirka 100 kilometer tillgängliga schakt och avlopp under staden och vars jobb det är att kontrollera väggar och golv för skador. Detta arbete utgör inte bara en hälsorisk, men är också potentiellt dödlig, med tanke på att avloppen kan fyllas med vatten mycket snabbt utan förvarning. En annan fördel med robotar i en sådan miljö är att de skulle kunna arbeta i trånga avlopp som inte kan nås med den teknik som används idag.

Inledande testkörning

Forskarna placerar roboten upprätt i botten av skaftet. Den är cirka 50 cm hög och har fyra ledade ben samt något som liknar ett huvud som består av en kamera och olika sensorer.

Peter Fankhauser, medgrundare av ETH-spin-offen som kommersialiserar ANYmal, radio sina kollegor på ytan, som ansvarar för att koordinera testet och skicka kommandon till roboten. Fankhauser vrider sig sedan med en joystick och roboten trampar framåt. Eftersom detta är det första testet i okänd terräng, han tar delvis kontroll över roboten trots att den kan röra sig autonomt. "Det är en försiktighetsåtgärd, säger Fankhauser, "Bara för att något fungerar i labbet betyder det inte alltid att det kommer att fungera i den verkliga världen." Trots allt, förhållandena under jorden är inte vad roboten är van vid:kammaren är våt och hal, med lägre temperaturer och högre luftfuktighet än i labbet. Vad mer, det är väldigt, väldigt mörkt.

"Det är svårt att skilja mycket här nere, säger Fankhauser, nästan med en antydan av uppgivenhet i rösten, när roboten rör sig i långsam takt genom den ungefär tre meter höga och fem meter breda tunneln. Roboten avger ett enhetligt elektromekaniskt ljud – ett slags rytmiskt surrande – som smälter samman med ljudet av forsande vatten som kommer från huvudavloppet i närheten. Vi är i ett ganska stort bräddavlopp med bara en rännel vatten i. Med tanke på att roboten är på sin första testkörning fyra meter under marknivå, forskarna har vidtagit försiktighetsåtgärden för att undvika stora volymer vatten.

Hittar sin väg i mörkret

Målet med det treåriga forskningsprojektet THING (sub-Terranean Haptic InvestiGator) är att designa robotar som kan röra sig på egen hand och som bättre kan identifiera sin omgivning. Robotar använder vanligtvis 3D-kameror och lasersensorer för orientering. Men sådana enheter kan inte fungera under ogynnsamma förhållanden – som när markytan är våt eller luften full av damm. Det är därför som forskarna anser att förbättrad haptisk perception – orientering genom beröring – är en möjlig lösning. Projektet har sammanfört ETH-forskare med kollegor från universitet i Edinburgh, Pisa, Oxford och Poznań.

Alla dessa institutioner experimenterar med ALLA robotar, och projektdeltagarna från de olika platserna träffas regelbundet. Förutom testerna i avloppssystemet, nästa år kommer forskarna att placera ut roboten i en polsk koppargruva. Det kommer att avgöra om det kan fungera i ett helt annat mikroklimat, en kännetecknad av het, dammig luft och grusytor. ETH representeras i projektet av Laboratory for Robotic Systems under ledning av professor Marco Hutter, som har forskat om benrobotar i många år. Han fick stöd från ETH strax efter att ha påbörjat denna forskning i form av ett ESOP-stipendium och ett Pioneer-stipendium.

En av nyckelfrågorna under denna första testdag är om roboten överhuvudtaget kan hitta runt i avloppssystemets mörker. Initialt, två medhjälpare med stora LED-lampor lyser upp omgivningen så att vi tydligt kan se vad som händer. Sedan, Fankhauser ber medhjälparna att släcka lamporna och skickar radio till sina kollegor på ytan för att säga åt roboten att använda sina egna lampor. 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. Till exempel, 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, till exempel, 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. Initialt, 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, dock, 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. I detta fall, 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.