Hvordan man stopper et isbjerg i dets spor

For at bestemme, hvordan smeltende isbjerge kan påvirke havet, en robot på størrelse med kajak stoppede de massive stykker is, der drev og snurrede i vandet i Nordatlanten - helt af sig selv.

Eller det er i hvert fald, hvad Hanumant Singh har indregnet i robottens algoritmer for at gengive skarpe 3-D kort over isbjerge i Sermilik Fjord, et 50-mils indløb til kystlinjen i Østgrønland.

Forskere ved, at isbjerge, der bryder fra indlandsisen i Grønland, smelter hurtigt som reaktion på klimaændringer, men detaljerne om, hvor hurtigt de smelter, er stadig uklare. Singh, en professor i elektro- og computerteknik ved Northeastern, siger, at problemet er at finde ud af, hvordan man måler store isstykker, der er i konstant bevægelse.

"Det er meget dårligt forstået, " siger han. "Isbjergene bevæger sig, og de bevæger sig hurtigt, omkring 10 kilometer om dagen."

For at få en konkret idé om smeltehastigheden, nøjagtige målinger af formen og overfladen af ​​et isbjerg skal sammenlignes over tid. Men at kortlægge et objekt i konstant bevægelse er en robots akilleshæl.

Ingeniører, der arbejder på autonome droner, støder ofte på denne udfordring, da robotter skal scanne og kortlægge deres miljøer for at bevæge sig effektivt og autonomt. Alt det er normalt beregnet med den antagelse, at tingene ikke vil flytte sig, siger Singh.

"Mange gange, hvad der vil ske er, at du kan have en robot, og det vil kortlægge en bygning smukt, " siger han. "Men så har du folk, der flytter, og robotten går helt tabt, fordi den bruger statiske funktioner i miljøet."

Det er ikke anderledes i vandet. En robots målinger af et bevægende mål kan let forvrænges og vanskelige at korrigere.

Singh, der udvikler dronesystemer til fjerntliggende og undervandsmiljøer, har gjort det til sit mål at komme uden om den udfordring med beregninger, der tager højde for bevægelsen af ​​et isbjerg samtidig med, at robotten navigerer rundt og kortlægger det. Med andre ord, han fryser bevægelse - med en masse matematik, virkelig.

I en nylig avis, Singh og et team af forskere beskriver den teknologi og algoritmer, de brugte til at korrigere for bevægelsen af ​​et dusin isbjerge, der flyder i Sermilik Fjord.

Algoritmens 3-D rekonstruktioner af isbjerge viser detaljer i høj opløsning af isens geometri og relief, hvilket nogle gange er umuligt at fange selv med rå billeder taget af en havdrone. Sammenlignet med den virkelige is, nøjagtigheden af ​​disse modeller er bemærkelsesværdig tæt på, siger Singh.

"Inden for få centimeter, måske 10, " han siger.

Det er et detaljeringsniveau, der længe har været påkrævet for forskere, der forsøger at bestemme, hvor hurtigt Jordens is forsvinder, og hvordan den ændring vil påvirke resten af ​​planeten.

Når isbjerge smelter, tons ferskvand bliver ført ud i havet. I det lange løb, sådan skiftende havdynamik kan forstyrre den måde, vandet flyder og cirkulerer rundt på kloden, transportere essentiel varme og næringsstoffer til både kolde og tempererede økosystemer.

"Vores rolle var kortlægningen, men andre medforfattere er interesserede i dataene, " siger Singh. "De er alle fysiske oceanografer, og vil bruge det til faktisk at lave modeller af, hvad der sker med ferskvandet, hvordan disse isbjerge smelter, og hvordan det bliver påvirket af klimaændringer."

Enkelt sagt, Singhs robotsystem er kun et kamera og en ekkolodssensor monteret på en kommercielt tilgængelig, gasdrevet kajak. Det er et brud fra traditionen, Singh siger, da havrobotter har tendens til at være dyre.

Med sit kamera, robotten tager rå billeder af den del af isbjergene, der er eksponeret over vandet. Robotten bruger derefter disse billeder til at navigere strategisk rundt i isbjerget og hjælpe sonarsensoren med at tage højkvalitetsmålinger af den nedsænkede is, som står for mere end 90 procent af isstrukturen.

"Vi får en tredimensionel form af hele isbjerget på toppen, og så kan vi bruge det som navigation til at rette ting på bunden, " siger Singh. "De data har et bredt overlap, og det giver os også navigation, som giver os mulighed for at rette den anden sensor."

På steder som Grønland, lys gør det svært at tage billeder af store, skinnende, og for det meste hvid is mod en lys baggrund. Det er også et svært miljø at fange, når det er overskyet og mørkt:Kameraer kæmper for at skelne mellem farverne på et isbjerg og de grå blandinger af himlen. Og så er der alt det andet i synsfeltet.

"Du er i en fjord, så du har alle disse steder og disse stykker i vandet, som vi fuldstændig vil ignorere, " siger Singh.

Not to mention how dangerous it is to be near an iceberg.

I årtier, researchers have struggled to get up close and personal with icebergs. These ice formations can be several times bigger than a large parking garage, and have protruding ice above and under the water that can be dangerous if the iceberg capsizes or breaks.

That's the whole point of using clever, but relatively cheap drones, Singh says. Robots are expendable, and they can sometimes take risks that people can't.

"You don't want a human being standing right next to this thing on a small boat, taking measurements, " he says. "If you're anywhere near there, and this thing overturns, it's going to take you with it."

Singh says that understanding climate change is one the best things his robots can do. That includes a list of campaigns that have studied environments such as coral reefs and archaeological sites underwater. Næste, it could be comets and asteroids moving in the expanse of outer space.

"We're not engineers for just engineering's sake, " Singh says. "We also really care about bigger-picture issues, how all that works, and telling those stories to the general public. That's what we're about."