Underwater robot provides new opportunities for polar research

Two engineering students have built an underwater robot that can analyse algae conditions under the Antarctic sea ice. This provides completely new opportunities for polar research, and the robot has just successfully completed its first scientific expedition to Greenland.

2016.03.17 | Kim Harel

The underwater robot DeepFreeze has provided polar researchers with very detailed knowledge about ice algae, which are the key to understanding life in the Antarctic waters. Pictured here are Tor Dam Eskildsen and Thomas Juul, who designed and built the robot for the researchers. (Photo: Tor Dam Eskildsen)

The robot enters the water through a hole in the ice. It is made of a material that can withstand considerable temperature fluctuations and protect the electronics in cold underwater conditions. It is steered from the surface by a standard X-box controller. (Photo: Tor Dam Eskildsen)

Good data quality depends on the robot being able to take measurements at exactly the same places under the ice over time. So what do you do when the ice is too thick for the GPS signals to penetrate? DeepFreeze is equipped with digital cameras that look through the cold, clear water towards two light sticks in the ice. The information is then sent to a computer that calculates the number of pixels between the two sticks and thereby the exact position of the robot. (Photo: Tor Dam Eskildsen)

Three polar researchers, two engineering students and an underwater robot. This is the core of the expedition that has just gathered an historically large amount of information about algae under the ice at Aarhus University’s research base in Greenland.

Read more (in Danish only) below. For contact details in English, go to the bottom of the page.

Polarforskere har i adskillige år forsøgt at blive klogere på den såkaldte isalge, fordi den er den eneste kulstofkilde i vandet og dermed grundlaget for hele det kolde økosystem i Antarktis.

”Algen er første led i fødekæden og dermed nøglen til at forstå livet under isen. Derfor vil vi gerne vide mere om dens levevilkår og udbredelse, og vi har store forventninger til, at ny robotteknologi kan hjælpe os med det,” siger Lars Chresten Lund-Hansen, lektor ved Aarhus Universitet.

I sommeren 2015 bad han to ingeniørstuderende om hjælp til at specialdesigne og bygge en  undervandsrobot til indsamling af data om algeforekomst og -trivsel under isen. Nu - et halvt år senere – er robotten med navnet DeepFreeze færdig og har gennemført den første ekspedition.

Nærstudier af alger i naturligt miljø
Tidligere har forskerne været nødt til at bore store kegler af is ud og fragte dem med hjem til forskningsbasen eller laboratoriet for at undersøge algerne, der sidder i et tyndt lag på undersiden af isen. Fordelen ved at bruge en undervandsrobot er, at de nu kan studere algerne i deres naturlige miljø og i et væsentligt større afgrænset område.

”Robotten kan dykke under is med en aktionsradius på 30 meter. Det giver helt nye muligheder for at skaffe viden om, hvordan algerne har det, og hvordan de vokser og formerer sig,” siger Tor Dam Eskildsen, ingeniørstuderende ved Aarhus Universitet.

Han har sammen med sin studiekammerat Thomas Juul fremstillet robotten til polarekspeditioner og udstyret den med blandt andet tre kameraer, der kan registrere lysforhold under is.

”Algerne får næring fra lys, så de kan lave fotosyntese og vokse. Ved at måle spektralsammensætningen under isen kan vi hjælpe biologerne med at få detaljeret viden om, hvor meget af lyset fra solen, algerne har absorberet, og dermed også om deres trivsel og fordeling,” siger Thomas Juul.

Polarrobotten DeepFreeze er en såkaldt inspektionsrobot og er på størrelse med en lille kuffert. Den er fremstillet i et materiale, der kan holde til store temperaturudsving og beskytte elektronikken under vand i kolde omgivelser, og den styres med en almindelig x-box controller fra isens overflade.

Den er desuden bygget, så den får en positiv opdrift i slukket tilstand og kan derfor lægge an mod isen, uden at de biologiske målinger forstyrres af bevægelsesstrømninger eller elektronisk støj.

Smart positioneringssystem giver forskere forspring 
Polarforskningsekspeditionen har varet en uge, og hver dag har robotten samlet data om algerne i deres naturlige omgivelser under vandet i en radius på 30 meter fra søsætningshullet.

”Det er gået rigtigt godt. Vi har data af meget høj kvalitet og i en mængde, som ingen forskere kunne drømme om for bare for få år siden,” siger Tor Dam Eskildsen

Det er første gang, det er lykkedes forskere at skaffe så detaljeret information om den antarktiske isalge.  Det skyldes, at det hidtil har været en temmelig kompliceret affære at styre robotter under den cirka 80 centimeter tykke is.

"God datakvalitet afhænger af, at man kan foretage målinger på nøjagtigt de samme steder over tid - uden adgang til GPS-signaler, vel at mærke. Tidligere har forskerne derfor forsøgt sig med et positioneringssystem baseret på akustisk bølgeteknologi, men det er en kostbar og mindre præcis løsning," siger Tor Dam Eskildsen.

Det særlige ved robotten DeepFreeze er, at dens positioneringssystem er baseret på simple videooptagelser. Den er udstyret med digitale kameraer, der kigger gennem det kolde og klare vand hen imod hvert sit referencepunkt. Herefter sender den information videre til en computer, som hele tiden og meget præcist fastlægger dens placering under isen.

”Vi stikker to lysstave ned igennem isen med en kendt afstand i hver sin ende af den linje, robotten skal indsamle data fra. Derefter sender den automatisk videobilleder til vores computer, som via et programmeringssystem kan udregne antallet af pixels mellem de to stave og dermed fastslå den præcise afstand,” siger Thomas Juul.

De studerende har designet og bygget robotten på bare fire måneder som en del af deres bachelorprojekt på maskiningeniøruddannelsen ved Aarhus Universitet.

See the underwater robot DeepFreeze on one of its many trials in the pool in the video below

 

For more information, please contact

Engineering student Tor Dam Eskildsen
Aarhus University
+45 6176 4050

Engineering student Thomas Juul
Aarhus University
+45 2829 4317

Associate Professor Lars Chresten Lund Hansen
Department of Bioscience
Aarhus University

AU Engineering