Met een plop dook op een winderige ochtend in november een kleine zwarte rechthoekige robot onder water van de oever van de rivier de Allegheny. Vanaf de kust leidde Theo Chemel, een robotica-ingenieur van Aquatonomy – een start-up voortgekomen uit onderzoek ontwikkeld aan de Carnegie Mellon University – de robot naar de basis van een van de pylonen van de Clemente Bridge. Vervolgens nam hij zijn handen van de bedieningselementen.
Onder water scande de robot de brug die als een stofzuiger zelfstandig heen en weer bewoog. Daarbij gebruikte hij verschillende sensoren en camera’s om gegevens te verzamelen en een 3D-model van de paal en de fundering te maken.
De robot van Aquatonomy is ontworpen om inspectiegegevens te verzamelen voor onder water gelegen infrastructuur zoals dammen, bruggen, havens, schepen en waterkrachtfaciliteiten. Op dit moment worden de meeste gegevens verzameld door duikers en op afstand bediende voertuigen, of ROV’s, bestuurd door piloten die handmatige bediening gebruiken en vertrouwen op de camera’s aan boord. Maar het zicht is onder water vaak slecht; duikers moeten vaak met hun handen zoeken, wat voor gevaarlijke werkomstandigheden kan zorgen.
“Met duikers is het echt een uitdaging”, zegt Xiaoyu Kaess, medeoprichter en COO van Aquatonomy. “Als we naar de rivier kijken, is het koud, donker en is er een constante stroming. En er zijn veel puin en obstakels in de rivier.”
GPS-signalen werken niet onder water en sonar werkt niet goed in rommelige omgevingen rond sommige schepen, sluizen en dammen. De robot van Aquatonomy maakt gebruik van meerdere sensoren die door troebelheid heen kunnen kijken en kunnen lokaliseren waar het voertuig zich bevindt en bouwt vervolgens tegelijkertijd een 3D-kaart op die “tot op de millimeter nauwkeurig” is.
Aquatonomy heeft inspecties uitgevoerd bij grote marineschepen en sluizen en dammen. De grootste financier is het US Army Corps of Engineers. En het is een van een groeiend aantal in Pittsburgh gevestigde bedrijven die robots maken die zwemmen, vliegen en klimmen om complexe en vaak gevaarlijke taken op zich te nemen op het gebied van het onderhoud van de infrastructuur.
Pittsburgh is lange tijd een knooppunt geweest voor robotica. De ontwikkeling van robots voor ongestructureerde omgevingen buiten een fabriek, van de boerderij tot de maan – bekend als veldrobotica – kroop uit Carnegie Mellon. Hoewel de onderzoeks- en kleine spin-offbedrijven een constante zijn geweest, was het een uitdaging om de bedrijven te laten blijven bestaan en lokaal te laten groeien. Maar met ongeveer 130 lokale roboticabedrijven en federale defensiefinanciering voor autonome robots zou kunnen toenemen.
Opkomst van rondzwervende robots
Toen in 1983 een robot in een radioactief slib in de kelder van een gesmolten kernreactor op Three Mile Island viel, verliet de robotica het laboratorium en betrad de wereld van het werk. Een team van Carnegie Mellon onder leiding van Red Whittaker bouwde robots die de vervuilde kelder binnen waden, terwijl de camera’s het zicht van binnenuit terugzonden. Later namen robots met ander gereedschap eraan bevestigd monsters en hielpen bij het opruimen.
“Dat veranderde het geloof echt”, zei Whittaker. “Het was een sprong in de technologie. Het veranderde de overtuiging van wat mogelijk was en het bracht een nieuwe industrie op gang.”
Datzelfde jaar ontwikkelde Whittaker Terregator, een van de eerste zelfrijdende buitenmachines. Sindsdien heeft hij robots gemaakt die de binnenkant van pijpleidingen en verlaten mijnen in kaart brengen, vulkanen binnendringen en de ruimte in gaan. Whittaker heeft ook verschillende bedrijven afgesplitst, zoals RedZone Robotics (voor onbemande pijp- en rioolinspecties) en Astrobotic Technologies (voor het krijgen van autonome rovers op de maan).
“We hadden niets tegen robotchirurgie of robotspeelgoed, maar – als je echt kijkt naar het (bruto nationaal product) van de landbouw, mijnbouw, bouw, energie, defensie, ruimtevaart, auto’s – deze waren, en deze zijn aanzienlijk,’ zei Whittaker. “Natuurlijk had het geen enkele zin dat technologie de uitdaging zou aangaan of dat iets op de markt zou komen. Het was allemaal visie.”
Het vroege veldrobotica-onderzoek werd beperkt door de beschikbare technologie. “Het was erg moeilijk om een camerabeeld te krijgen en in een computer te krijgen en er iets mee te doen”, zegt David Wettergreen, onderzoeksprofessor aan het Robotics Institute in Carnegie Mellon. Maar nadat de technologie zich verder ontwikkelde – de cameratechnologie verbeterde en computers werden kleiner – werd het mogelijk om het soort grote demonstraties te creëren dat tot commercieel gebruik kon leiden.
De opkomst van de robotica-industrie in Pittsburgh werd gedeeltelijk aangedreven door de oprichting van het National Robotics Engineering Center in Lawrenceville in 1994. De oprichting van het centrum bracht robotica van onderzoek naar proof-of-concept-demonstratie, naar ontwikkeling en testen, naar licentieverlening en commercialisering.
“Op dat moment hadden grote bedrijven nog niet echt werk op het gebied van robotica, maar ze beseften dat dit iets op komst was”, zegt Wettergreen. “Dat leidde tot kleine bedrijven in dat gebied, en niet alleen de grote bedrijven, maar ook (industrieën) zoals de zelfrijdende industrie trokken naar dat gebied.”
Federale financiering heeft de opkomst van robotica aangewakkerd, met name het National Robotics Initiative, gefinancierd door de National Science Foundation, en de Small Business Innovation Research-subsidies voor startende bedrijven.
Lokaal groeien
Robotica in Pittsburgh is gevormd door het onderzoek dat afkomstig is van de universiteiten, maar tot het afgelopen decennium ontbrak het aan ontwikkeling van de particuliere sector, aldus Chris Briem, regionaal econoom aan het University of Pittsburgh Center for Social and Urban Research. Nu is dat veranderd.
“Gaan deze industrieën zich ontwikkelen tot grotere dingen?” zei Briem. “We zien zeker meer commercialisering in de particuliere sector dan we jarenlang hebben gezien.”
Gecko Robotics is een van de bedrijven die onderzoek naar robotica en kunstmatige intelligentie in Pittsburgh heeft ingezet. De startup ontwerpt en bouwt robots die langs de wanden van ketelbuizen van een elektriciteitscentrale kunnen kruipen en metingen kunnen doen voor inspecties. Ze hebben ook robots die onder water zwemmen en robots die als een drone zweven om moeilijk bereikbare plaatsen van elektriciteitscentrales te inspecteren.
Gecko heeft nu ongeveer 300 medewerkers en een hoofdkantoor in Pittsburgh. Ze kozen grotendeels voor Pittsburgh vanwege de diepgaande ‘industrie-ervaring’ en de toegang tot een pijplijn van robotica-talent dat uit Carnegie Mellon stroomt. Maar er is volgens Demmer “enige tegenwind” langs de drie rivieren. Gecko ontving geen kapitaal van investeerders in Pittsburgh.
“Ik denk dat er in veel opzichten een ongebonden ambitie is die je ziet in de kuststeden en die je soms niet ziet in Pittsburgh,” zei Demmer. “De venture-industrie (in Pittsburgh) is niet robuust – op zoek naar conservatieve weddenschappen die gemakkelijk te onderschrijven zijn, die misschien de kleine weddenschappen zijn versus het nemen van de grote weddenschappen. We hebben de kust net zoveel beter laten doen.”
Silicon Valley is het klassieke voorbeeld van een innovatiecluster: het idee dat als een groep mensen dichtbij soortgelijke problemen werkt, hun kennis overvloeit, de geldpools en de industrie, of een reeks verwante industrieën, groter en sneller groeien dan wanneer deze verspreid zou zijn.
Pittsburgh is een van de toonaangevende clusters van software, machinaal leren en kunstmatige intelligentie in het land, zo niet de wereld, volgens Ben Armstrong, uitvoerend directeur van het Industrial Performance Center van het Massachusetts Institute of Technology.
“De expertise die in Pittsburgh aanwezig is, geeft de regio de flexibiliteit om op allerlei gebieden uit te blinken”, aldus Armstrong.
Maar het soort risicokapitaal-ecosysteem in San Francisco of Boston “bestaat hier niet”, aldus Audrey Russo, president en CEO van de Pittsburgh Technology Council. “Er zijn maar heel weinig investeerders die bereid zijn geld te steken in een idee dat nog niet echt is getest. We hebben een probleem omdat we geen sterke investeerdersgemeenschap hebben en we geen productieve durfgemeenschap hebben.”
Russo beschouwt federale overheidscontracten, vooral via het Amerikaanse ministerie van Defensie, als de sleutel om jonge bedrijven te helpen de gebruiksscenario’s van hun technologie te ontwikkelen, feedback te krijgen en mogelijk investeerders van over de hele wereld aan te trekken. Zowel Gecko als Aquatonomy hebben defensiecontracten binnengehaald om hun bedrijven te laten groeien. En in Hazelwood is het ARM Institute een non-profitorganisatie die samenwerkt met bedrijven om hen te helpen technologieën zoals robotica te gebruiken om hun productieprocessen te verbeteren. door het Ministerie van Defensie.
Ongehaaste opname
Eén uitdaging bij het opbouwen van een industrieel cluster dat wordt aangedreven door robotica is dat er sinds 2015 niet veel groei is geweest in de vraag naar traditionele industriële robots, en dat bedrijven deze in de VS en Europa traag gebruiken, aldus een onderzoek. rapport van de Internationale Federatie van Robotica.
Volgens cijfers van de Amerikaanse overheid worden er sinds 2014 elk jaar tussen de 26.000 en 40.000 nieuwe industriële robots in de VS geïnstalleerd. de Internationale Federatie van Robotica. Veldrobotica vormt slechts een klein stukje van de wereldmarkt. De dominante typen industriële robots worden gebruikt in de productie, het transport en de logistiek. Maar volgens onderzoek heeft slechts ongeveer 8,3% van de productiebedrijven in de VS überhaupt robots de jaarlijkse bedrijfsenquête van het National Center for Science and Engineering Statistics.
Nog een barrière: het plaatsen van een robot in het veld of op de fabrieksvloer is duur. In een McKinsey Global Industrial Robotics-onderzoek uit 2022Bedrijven noemden de hoge hardwarekosten in verhouding tot de voordelen als een van de belangrijkste obstakels voor het gebruik van automatisering en robots.
“In de Verenigde Staten maken veel bedrijven, als ze erover nadenken om een robot te kopen, een berekening”, zei Armstrong. “Kan deze robot zichzelf in de komende twee tot drie jaar terugbetalen? En als dat kan, zou ik hem misschien kunnen kopen. Maar als dat niet lukt, wacht ik ermee.”
China is een ander verhaal. In dezelfde periode groeide de groei in dat land zowel van traditionele industriële robots als van nieuwe soorten robots, zoals robots die heldere sneeuw of anderen die dat wel kunnen vissen vaccineren. Volgens het IFR-rapport werd meer dan de helft van de nieuwe industriële robots die vorig jaar ter wereld werden geïnstalleerd, in China aan het werk gezet.
Volgens Armstrong is het een prioriteit van de overheid om meer automatiserings- en robottechnologieën naar fabrieken in China te brengen en een andere houding ten opzichte van risico’s te bewerkstelligen.
“Wat ik heb gehoord van mensen die nieuwe technologische apparatuur verkopen in China, is dat deze bedrijven helemaal niet nadenken over de berekening van het rendement op investeringen”, zei Armstrong. “Ze kopen gewoon de nieuwste apparatuur omdat ze denken dat het een aanwinst is om over de nieuwste apparatuur en technologie te beschikken en te weten hoe deze te gebruiken.”
De lange staart van ongewone omstandigheden
Maar in de onderzoekswereld zijn robots volgens Wettergreen meestal heel goed geworden in veel taken. Nu ligt de focus op het autonomer maken van deze systemen met minder fouten in ongebruikelijke omstandigheden – denk aan zelfrijdende auto’s.
“Meestal kunnen ze heel goed rijden”, zei Wettergreen. “Nu zijn we bezig met die lange staart van ongebruikelijke omstandigheden of situaties waar de robot niet op voorbereid is.”
Terug op de rivier bereikte de robot van Aquatonomy de kust met een 3D-scan van de brugpalen – weer een test in wind, stroming en troebel water voltooid. “De brug doet het redelijk goed vandaag”, zei Chemel. “Geen problemen.”
Aquatonomy heeft zeven medewerkers. De meesten hebben wortels bij Carnegie Mellon, met name bij het Robotics Institute. De universiteit, de rivieren en een uitgebreid netwerk van verouderde infrastructuur om hun technologie te testen, hebben hen aan de stad gebonden gehouden.
“Pittsburgh heeft een geweldig ecosysteem”, zei Kaess. “Het is een van de plaatsen waar de meest geavanceerde uitvindingen plaatsvinden. Het netwerk, het talent en het ondernemende ecosysteem zijn hier allemaal op dezelfde plek.”
