Estudo de Caso

Robôs Autónomos Marinhos para o estudo e exploração dos oceanos

Ao longo dos últimos anos tem-se assistido a um interesse crescente pelo uso de veículos robóticos para o estudo e exploração dos oceanos. A utilização destes veículos permitirá, no futuro, libertar os operadores humanos de tarefas fastidiosas, alcançar zonas profundas até agora inacessíveis, e desenvolver sistemas sofisticados para aquisição e transmissão de dados marinhos, assim como para prospecção do fundo do mar. Neste artigo dá-se uma breve visão de alguns dos avanços mais recentes no domínio da robótica marinha, citam-se projectos representativos que ilustram a simbiose necessária entre a ciência e a tecnologia, e perspectiva-se o impacte esperado deste domínio de actividade a nível económico e social. Ao longo de texto dá-se relevância às capacidades desenvolvidas a nível nacional para o desenvolvimento e operação de robôs marinhos autónomos.

1. O estudo dos oceanos: a simbiose necessária entre ciências e tecnologias do mar.

Os oceanos cobrem mais de 70% da superfície da Terra. Com uma profundidade média de 7 km, são um reservatório colossal de energia e minerais e uma fonte inestimável de alimentos. Os oceanos desempenham um papel fundamental na regulação do clima e contribuem de modo decisivo para a biodiversidade do planeta. O fundo do mar alberga no seu interior, através de “marcas” nos sedimentos e conglomerados rochosos, o registo milenar da evolução da vida na terra, da deriva dos continentes, e das variações climáticas [4]. Conjectura-se que o estudo dos oceanos permitirá um dia compreender a origem da vida no planeta azul. Os oceanos são ainda o repositório natural de uma herança cultural vastíssima na forma de sítios arqueológicos, muitos dos quais ainda para descobrir explorar. No entanto, os oceanos são virtualmente desconhecidos e continuam a ocultar os seus segredos graças à inacessibilidade que a vastidão e profundidade das grandes massas de água impõem naturalmente, e de forma dramática, aos seres humanos.

Desde há muito que o ser humano tem procurado superar as barreiras impostas pela natureza e mergulhar no seio dos oceanos para estudar os fenómenos físicos, químicos, biológicos e geológicos que ocorrem no seu interior e nas fronteiras com a atmosfera e o interior da Terra. Mergulhadores, navios oceanográficos equipados com instrumentação científica, submersíveis tripulados, boias derivantes e instalações colocadas no fundo do mar têm desempenhado um papel fundamental no estudo e exploração dos oceanos. Apesar dos esforços notáveis realizados, fruto do engenho e coragem humanos, existe ainda um caminho longo a percorrer para o desenvolvimento de tecnologias que permitam aos cientistas adquirir, transmitir, e processar dados obtidos em áreas extensas do oceano, com os ritmos de amostragem adequados às dinâmicas dos fenómenos em estudo. Muitos destes problemas colocam-se com a mesma premência nas áreas das ciências e tecnologias do espaço. No entanto, sob muitos pontos de vista o ambiente marinho é muito mais inóspito e coloca problemas de muito maior complexidade devido às pressões enormes a que ficam sujeitos os equipamentos submersos, ao ambiente altamente corrosivo da água do mar, à impossibilidade de transmitir informação através de ondas electromagnéticas a longa distância, e à ausência de um sistema de posicionamento global GPS debaixo de água, o que torna a tarefa de localização de plataformas submarinas extremamente difícil e onerosa.

Apesar destas dificuldades, tem-se assistido ao longo dos últimos anos a progressos notáveis nas áreas da robótica marinha, sensores, computadores, comunicações e sistemas de informação com impacte visível no desenvolvimento de novas tecnologias e no aperfeiçoamento de tecnologias existentes para o estudo e exploração dos oceanos. Cita-se a título de exemplo mais relevante o desenvolvimento de veículos robóticos marinhos autónomos, capazes de executar missões científicas e comerciais sem a intervenção directa permanente de operadores humanos [1, 8]. Estes veículos e os sistemas associados de aquisição de dados irão seguramente revolucionar as metodologias acessíveis para a exploração dos oceanos. O seu estudo e desenvolvimento servem já de catalisadores para o estabelecimento de redes de cooperação entre universidades, institutos de investigação, companhias, serviços de administração pública, e instituições gestoras de recursos marinhos e do ambiente. A nível da camada estudantil e do público em geral os temas de investigação e as aplicações práticas associados às tecnologias marinhas são extremamente aliciantes e foco de grande entusiasmo. A nível da arqueologia subaquática, por exemplo, permitem já transportar para espaços expositórios a “visão guiada” de sítios arqueológicos (fora do alcance dos espectadores habituais) à custa da projecção de imagens acústicas e de visão recolhidas in situ, utilizando técnicas de realidade virtual. Outras aplicações dignas de relevo incluem o uso de múltiplos veículos robóticos equipados com sensores especializados para estudos de oceanografia, geologia, e biologia, com implicações previsíveis extremamente importantes na prospecção dos recursos marinhos (incluindo os recursos minerais, hidrocarbonetos e hidratos de metano), pesca e detecção / análise de derrames de elementos poluentes. Preconizam-se também aplicações importantes no domínio do mapeamento de habitats marinhos para a exploração sustentável dos recursos biológicos, na monitorização e intervenção em instalações petrolíferas submarinas e na vigilância de zonas portuárias e outras infraestruturas críticas.

Num contexto Europeu, a necessidade de promover o desenvolvimento das tecnologias marinhas e de promover uma simbiose forte entre a ciência e a tecnologia estão claramente expressas num conjunto de directivas e declarações que culminaram com a declaração de Ostend, apresentada durante o encontro EurOcean 2010 em Ostende, na Bélgica, em Outubro de 2010. O documento, intitulado “The Seas and Oceans are one of the Grand Challenges for the 21st Century”, salienta o papel crucial que as ciências e tecnologias do mar desempenham no sentido de possibilitarem o estudo dos oceanos e da sua biodiversidade, assim como na criação de novas oportunidades, empregos, e desenvolvimentos tecnológicos que visem afirmar a liderança da Europa no domínio nestas áreas do conhecimento e na sua interacção com o sector público e a indústria. Para este efeito, foram já tomadas iniciativas e elaboraram-se programas de investigação e desenvolvimento destinados a solidificar os aspectos de Inovação, Cooperação Internacional, e Redes de Ensino. A simbiose desejada entre a ciência, a tecnologia e as políticas públicas está também expressa nas linhas directrizes do futuro programa quadro da EU denominado HORIZON 2020.

2. Veículos Robóticos e Tecnologias Marinhas: o presente e uma visão do futuro.

O desenvolvimento dos primeiros veículos robóticos marinhos autónomos na Europa recebeu ímpeto apreciável no âmbito do programa MAST (“Marine Science and Technology”) da Comissão das Comunidades Europeias. Em particular, o programa MASTII (1994-98) teve por objectivo desenvolver as bases científicas e tecnológicas para a exploração sustentável dos sistemas marinhos, assim como avaliar o seu papel nas mudanças globais. O programa MAST foi o precursor de um esforço notável de investigação e desenvolvimento nas instituições universitárias, centros de pesquisa e na indústria, e abriu o caminho para o despertar de um número reduzido de instituições de excelência a nível da robótica marinha. É de referir que o primeiro veículo robótico marinho autónomo civil europeu resultou de um projecto MAST liderado por Portugal (através do ISR/IST) em parceria com a empresa dinamarquesa COWIConsult. No decurso deste processo forjaram-se elos fortes de cooperação e assistiu-se a um aumento notável do número de projectos de investigação e desenvolvimento visando o projecto, construção e operação de sistemas robóticos de complexidade tecnológica crescente. Ao fim de aproximadamente duas décadas, os veículos robóticos marinhos autónomos deixaram de ser encarados como uma simples “mostra de excelência em engenharia” e atingiram rapidamente o estado em que passaram a ser utilizados por instituições Europeias de renome mundial num número crescente de missões científicas e comerciais (e.g. IFREMER (FRA), NOC (GBR), e MARUM (GER)). Ao mesmo tempo, um número reduzido de empresas na Europa conseguiu com muito sucesso cruzar a fronteira entre o desenvolvimento de protótipos e veículos operacionais, tendo penetrado com sucesso no mercado dos veículos robóticos marinhos para aplicações científicas, comerciais, e militares (e.g. ATLAS EL. (GER), KONGSBERG (NOR), e TELEDYNE/GAVIA (ISL)). 

2.1 Operações com múltiplos veículos robóticos: cenários e desafios tecnológicos

A crescente sofisticação dos veículos robóticos autónomos marinhos abriu caminho para a execução de tarefas complexas sem intervenção directa de operadores humanos. Um dos factores determinantes para a execução de missões em modo completamente autónomo tem sido o desenvolvimento de sistemas de navegação, condução e controlo, miniaturizados de alto desempenho (um sistema de navegação tem por objectivo determinar a posição de um  veículo no ambiente marinho tridimensional, ou seja, responder à questão “onde estou”?; um sistema de condução e controlo tem por objectivo conduzir o veículo para uma posição desejada ou seguir uma rota especificada).  e a extensaticipa o IST detectapecificada).. ja, responder  investigaç de metano) /ISR.

ween Presentemente, tendo em vista as aplicações futuras, assiste-se a um esforço de investigação que visa a operação conjunta de múltiplos veículos autónomos actuando em cooperação [1, 5, 6, 7]. Um cenário importante de operações que justifica o uso de múltiplos veículos e coloca grandes desafios a engenheiros e cientistas, sob os pontos de vista teórico e prático, é o mapeamento de habitats marinhos ou a monitorização de dados ambientais com objectivos científicos e comerciais. Neste cenário, identificam-se imediatamente duas principais desvantagens na utilização de um simples veículo: i) falta de robustez na presença de falhas parciais de alguns subsistemas, e ii) falta de eficiência, pelo facto de um veículo isolado ter que percorrer (possivelmente a muita baixa velocidade) uma dada área de interesse, tornando impossível uma amostragem dos dados de acordo com as escalas temporais e espaciais dos fenómenos em questão.

Um grupo de veículos operando em cooperação e ligados virtualmente através de um rede móvel de comunicações aéreas (durante operações à superfície) e acústicas (durante operações em imersão) tem um potencial enorme para para ultrapassar de modo elegante e expedito as limitações apresentadas. Durante uma missão conjunta um grupo de veículos pode reconfigurar a sua distribuição especial em resposta a parâmetros ambientais de modo a melhorar o desempenho e optimizar, de acordo com um critério bem definido, a estratégia adoptada para detectar e mapear um campo escalar ou vectorial de uma variável de interesse (e.g. para mapeamento adaptativo do oceano). Este conceito está ilustrado na figura 1, que mostra uma fase de uma missão de mapeamento cooperativo de habitats marinhos complexos em 3D utilizando múltiplos veículos robóticos de superfície e submarinos (projecto MORPH da CE, iniciado em 2012 [7], em que participa o IST/LARSyS). Neste cenário, o veículo autónomo de superfície acompanha e faz a monitorização de um grupo de veículos submarinos que modificam a geometria da sua distribuição espacial de modo a se poderem adaptar ao ambiente e mapear de modo eficiente habitats em superfícies quase verticais. A figura 2, um mapa do fundo marinho obtido pelo LARSyS com uma sonda acústica multifeixe na região dos Açores, permite antever o tipo de detalhe que se pode obter com sensores sofisticados.

Para além da faceta de adaptabilidade, numa missão cooperativa cada veículo pode simplesmente transportar um número reduzido de equipamento e meios computacionais (parte do conjunto completo de “serviços a oferecer” pelo conjunto de veículos; e.g. sensores científicos e equipamento acústico para mapeamento de variáveis de interesse na coluna de água e no fundo do mar), fazendo com que cada veículo seja menos complexo, aumentando assim a fiabilidade do conjunto de veículos. A missão descrita é simplesmente um exemplo de um tipo de missões científicas e comerciais que justificam o desenvolvimento de sistemas avançados que permitam automatizar a operação conjunta de grupos de veículos robóticos autónomos no marinho. A classe de veículos robóticos é extensa e envolve veículos de superfície, veículos submarinos, veículos semi-submersíveis, e planadores (“gliders”). Da gama extensa de veículos ao dispor, os planadores tornar-se-ão seguramente as ferramentas de excelência para efectuar estudos a longo prazo da coluna de água devido à sua capacidade de, à semelhança dos planadores aéreos, se movimentarem em manobras de “yo-yo” verticais com reduzido consumo energético.

2.2 Veículos cooperativos robóticos: investigação e desenvolvimento em Portugal

A nível nacional existe hoje uma massa crítica de investigadores e instituições que, através da sua participação em projectos nacionais e internacionais, têm contribuído de modo muito activo para o estabelecimento de grupos de excelência em robótica e sistemas de comunicação e mapeamento acústicos em diversas partes do país. Citam-se, com destaque para o grupo no Instituto Superior Técnico (IST/LARSyS/ISR), pioneiro neste domínio, os grupos na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), no INESC-Porto, no Instituto Hidrográfico, e na Universidade do Algarve. Cita-se também a Estrutura de Missão para a Extensão da Plataforma Continental que, através da sua vasta experiência com o veículo de operação remota LUSO, tem desempenhando um papel dinamizador extremamente importante na utilização de ferramentas robóticas para o estudo e exploração dos oceanos.

Alguns dos grupos citados têm exercido a sua actividade em parceria com companhias de engenharia naval, entidades certificadoras de equipamentos marinhos, instituições portuárias e instituições científicas. Este trabalho de grande vulto tem permitido reforçar alianças entre a ciência e a tecnologia e potencia aplicações práticas de grande importância em vários domínios que incluem as ciências do mar e a arqueologia marinha, com impacte importante nas componentes comercial, educacional e social. A maturidade de algumas das soluções desenvolvidas permite antever o início da comercialização de veículos e sistemas, contribuindo assim para a criação de pequenas companhias com nichos de mercado específicos nos sectores do ensino e das operações científicas e comerciais para a exploração e monitorização do ambiente marinho.

A título de exemplo, o Laboratório de Robótica e Sistemas em Engenharia e Ciência (LARSyS), que acolhe no seu seio grupos de investigação do Instituto de Sistemas e Robótica do IST, Lisboa, do Departamento de Oceanografia e Pescas da Universidade dos Açores, e do Centro de Recursos Minerais, Mineralogia e Cristalografia (CREMINER) da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, tem ao longo dos últimos anos contribuído de modo muito activo para o desenvolvimento e operação de veículos robóticos autónomos marinhos actuando isolados ou em cooperação, em cenários de operação no continente e nos Açores.

As aplicações contempladas focam o mapeamento de habitats marinhos, a detecção e seguimento de alvos submarinos e a arqueologia marinha. Recentemente, no âmbito dos projectos Europeu CO3AUVs e MORPH [2, 3, 7], o IST/LARSyS/ISR desenvolveu uma frota de veículos robóticos de superfície e submarinos denominados MEDUSA para missões cooperativas de: i) patrulhamento de infraestruturas críticas, ii) mapeamento de habitats em ambientes complexos tridimensionais e iii) ajuda à navegação de grupos de mergulhadores recorrendo a uma rede de posicionamento e comunicação acústicos em que cada veículo é um nó activo dessa rede. A figura 3 mostra os veículos robóticos autónomos marinhos MEDUSA (versão de superfície) executando uma missão cooperativa em Sesimbra. A figura 4 mostra o veículo MEDUSAD (com capacidade de mergulhar).

Devido ao seu baixo custo e desempenho comprovado em provas de mar, os veículos têm grande potencial para comercialização. A experiência adquirida pelo IST/LARSyS/ISR em projectos de I&D com parceiros nacionais e estrangeiros e a sua capacidade para projectar, construir e operar sistemas robóticos marinhos tem conduzido naturalmente ao estabelecimento de simbioses estreitas entre as ciências e as tecnologias do mar. Para isto tem contribuído a capacidade operacional da instituição que, em conjunto com outros grupos do IST e nacionais, planeia o desenvolvimento de sistemas integrados para aplicações industriais (cita-se a título de exemplo a exploração remota de recursos minerais e petrolíferos), bem como sistemas para o estudo do mar profundo.

O caminho árduo mas extremamente aliciante a trilhar beneficiará, certamente, de apoios ao desenvolvimento de tecnologias marinhas através do financiamento de actividades de I&D e da disponibilização de instalações que permitam uma logística adequada à necessidade de testes em articulação com a Câmara Municipal de Lisboa e outras instituições governamentais e privadas. Sob este ponto de vista, é vital reunir as condições para, na proximidade do meio aquático, aliar os aspectos de operacionalidade com os de disseminação de informação e conhecimento acerca do oceano. Nomeadamente, através do acesso a uma estrutura que sirva de apoio logístico e operacional às actividades experimentais relacionados com as ciências e tecnologias do mar, ou seja, uma verdadeira “porta aberta” para o mar e um espaço de trabalho comum para engenheiros e cientistas. Para as atividades de disseminação, esta estrutura poderá albergar, ao mesmo tempo, um simples centro expositor com equipamento de divulgação, promoção e educação científica e tecnológica que permita levar até junto do grande público e da camada estudantil imagens, conteúdos interactivos e cenas (em tempo real ou de realidade virtual) do mundo submarino, nas suas vertentes geológica, biológica e arqueológica, dotando Lisboa de um equipamento cultural e científico em sintonia com o papel histórico que a cidade desempenhou no passado no conhecimento dos mares e na procura de novos mundos.

3. Conclusões

A crescente sofisticação dos veículos robóticos autónomos marinhos abriu caminho à execução de tarefas complexas sem intervenção directa de operadores humanos. Presentemente, tendo em vista aplicações futuras, assiste-se a um esforço de investigação que visa a operação conjunta de múltiplos veículos autónomos, actuando em cooperação na execução de missões científicas e comerciais. A nível nacional, um número reduzido de grupos tem exercido actividade notável de investigação e desenvolvimento nesta área em parceria com companhias de engenharia naval, entidades certificadoras de equipamentos e embarcações marinhas, instituições portuárias e instituições científicas. Este trabalho de grande vulto tem permitido reforçar alianças entre a ciência e a  tecnologia, e potencia aplicações práticas de grande importância em vários domínios, que incluem as ciências do mar e a arqueologia marinha, com impacte importante nas componentes comercial, educacional e social. A maturidade de algumas das soluções desenvolvidas permite antever o início da comercialização de veículos e sistemas, contribuindo, assim, para a criação de pequenas companhias com nichos de mercado específicos nos sectores do ensino e das operações científicas e comerciais para a exploração e monitorização do ambiente marinho.

4. Bibliografia.

[1] Aguiar, A., Pascoal, A., Cooperative Control of Multiple Autonomous Marine Vehicles: Theoretical Foundations and Practical Issues, in Further Advances in Unmanned Marine Vehicles, Eds. G. Roberts and R. Sutton, The Institution of Engineering and Technology, 2012.

[2] Birk, A., Antonelli, G., Caiti, A.,  Casalino, G., Indiveri, G.,  Pascoal, A., Caffaz, A. (2011),  “The CO3AUVs (Cooperative Cognitive Control for Autonomous Underwater Vehicles) project: overview and current progress”, Proc. IEEE-OCEANS 2011, Santander, Spain.

[3] C03AUVs Project (2009-2012), “Cooperative Cognitive Control for Autonomous Underwater Vehicles,” URL http://robotics.jacobs-university.de/projects/Co3-AUVs/  e

http://dsor.isr.ist.utl.pt/Projects/Co3-AUVs/MEDUSASAug2011.pdf

[4] Field, J., Hempel, G., Summerhayes, C., OCEANS 2020: Science, Trends, and the Challenge of Sustainability. Island Press, London, 2002.

[5] GREX Project (2006-2009), “Coordination and Control of Cooperating Heterogeneous Unmanned Systems in Uncertain Environments,” URL http://www.grex-project.eu

[6] J. Kalwa, “Final Results of the European Project GREX: coordination and control of cooperating marine robots,” Proc. IAV 2010 - 7th Symposium on Intelligent Autonomous Vehicles, Lecce, Italy, 2010.

[7] MORPH Project (2012-2016), “Marine robotic system of self-organizing, logically linked physical nodes,” URL http://morph-project.eu.

[8] A. Pascoal, C. Silvestre, P. Oliveira, Vehicle and Mission Control of Single and Multiple Autonomous Marine Robots, in Advances in Unmanned Marine Vehicles, Eds. G. Roberts and R. Sutton, IEE Control Engineering Series 69, 2006. 

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