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Schwingungen könnten zeigen, was unter den Oberflächen anderer Planeten liegt
Verborgene Hindernisse: Auf einer fremden Welt ist nicht zu erkennen, wie tief ein scheinbar kleiner Stein im Boden steckt. Ein Labortest zeigt nun, dass sich die vergrabene Tiefe aus Schwingungen, sichtbarer Form und künstlicher Intelligenz abschätzen lässt. Für künftige Baggerroboter könnte das unnötiges Graben vermeiden.
Blacksburg (U.S.A.). Ob ein Gesteinsbrocken nur auf dem Untergrund aufliegt oder tief darin verankert ist, lässt sich von außen kaum erkennen. Für künftige Roboter auf Mond und Mars wäre diese Unterscheidung jedoch wichtig, wenn sie Bauflächen vorbereiten oder Hindernisse wegräumen sollen.
Ein oberflächlich kleiner Stein könnte unter der Oberfläche weit nach unten reichen und sich kaum bewegen lassen. Würde ein Roboter trotzdem versuchen, ihn herauszuheben, könnte er Energie und Arbeitszeit verlieren oder seine Werkzeuge belasten. Ein neuer Ansatz nutzt deshalb die Bewegung des Steins selbst als Hinweis auf seinen verborgenen Teil.
Ein Forschungsteam der Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech) um Erik Komendera hat die Methode an 18 Betonblöcken verschiedener Größe und Form erprobt. Dafür wurden die Blöcke unterschiedlich tief in Sand eingegraben und anschließend mit einem instrumentierten Hammer angeschlagen.
Der Schlag versetzte die Blöcke in Schwingung, die ein scannendes Laser-Doppler-Vibrometer aus einiger Entfernung erfasste. Das Messgerät bestimmt feinste Bewegungen einer Oberfläche, ohne daran einen Sensor befestigen zu müssen. Die Messungen erfolgten an verschiedenen Höhen des jeweils freiliegenden Blockteils.
Die Schwingungen allein verraten die Einbettungstiefe nicht eindeutig, denn auch die Form eines Blocks und der umgebende Sand verändern das Signal. Das Team kombinierte deshalb die Vibrationsdaten mit der sichtbaren Geometrie und ließ ein neuronales Netz die Zusammenhänge mit der bekannten Tiefe lernen.
Das verwendete Netz besaß zwei verborgene Verarbeitungsschichten und sollte die verdeckte Tiefe anhand der gemessenen Muster schätzen. Anders als einfache physikalische Näherungsmodelle benötigt der Ansatz laut der zugänglichen Studienzusammenfassung weder die zuvor bekannte Masse des Blocks noch unabhängig gemessene Bodenparameter als Eingaben.
„Die Tiefe eines Steins anhand seiner Schwingungen abzuschätzen, kann schwierig sein“, erklärt Yiyan Ruan von der Virginia Tech.
In einer Auswertung von 204 Messungen lag die sogenannte RMSE, ein Maß für die typische Schätzabweichung, bei 0,94 Zentimetern. Der mittlere absolute prozentuale Fehler erreichte dagegen 25,1 Prozent. Die Angaben stammen aus der zugänglichen Studienzusammenfassung und beziehen sich auf Einbettungstiefen zwischen einem und 8,4 Zentimetern in einem kontrollierten Sandbett.
Ein Zentimeter Abweichung fällt bei flach vergrabenen Objekten prozentual besonders stark ins Gewicht. Die Ergebnisse zeigen damit eine mögliche Methode zur Tiefenschätzung unter engen Laborbedingungen, aber noch keine belastbare Messgenauigkeit für beliebige Gesteine und Böden.