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Der erste ferngesteuerte Rettungsbagger der Welt

Tekkie Story Der erste ferngesteuerte Rettungsbagger der Welt
Tekkies bei der Arbeit: Vier Studenten des ibex-Entwicklerteams im Projekt-Raum ihrer Universität.

Ob Reaktorunglück in Fukushima oder Verschüttung am Gotthard-Tunnel: Ein studentisches Team hat an der ETH Zürich eine Simulatorplattform  entwickelt, die bei Katastrophen schnell und sicher Hilfe leistet – mit einem ferngesteuertem Schreitbagger.

Wenn es ein „Jenseits-Fernsehen“ gäbe, durch das man auch nach seinem Tod das Leben verfolgen kann, dann würde der Nobelpreisträger Albert Einstein bevorzugt den „Kanal“ der ETH Zürich einschalten: Vermutlich wäre der Erfinder der Relativitätstheorie begeistert, dass die Eidgenössische Technische Hochschule, an der er einst studierte und lehrte, heute immer noch so großes Renomée genießt. Ein Ort, an dem ständig neue Ideen geboren werden. Ein Ort, der in vielen Disziplinen führend ist. Ob Einstein darüber schmunzeln würde, dass die Studierenden Kaffee und Snacks auf dem Campus bevorzugt in einem nach ihm benannten Café erwerben? Beim akademischen Blick auf den wissenschaftlichen Nachwuchs könnten ihm jedenfalls vier Schweizer, vier Deutsche und ein Österreicher auffallen, die gerade den ersten ferngesteuerten Rettungsbagger der Welt entwickelt haben. Die Mission des studentischen Projektteams: Bergungsarbeiten bei radioaktiver Strahlung, bei Erdrutschen sowie rund um eingestürzte Gebäude schneller und sicherer machen – ohne dabei den Führer der Maschine in Gefahr zu bringen.

Tekkie Story Der erste ferngesteuerte Rettungsbagger der Welt
Eine der ersten Ideenskizzen für die Steuereinheit. Ab hier lag ein langer Weg vor den insgesamt neun Studenten des Teams.

Wie ein kleines Start-up, aber ohne wirtschaftlichen Druck 

Am realen Markt orientiert haben die angehenden Maschinenbau- und Elektroingenieure die üblichen „proof of concept“-Prozesse durchschritten: Marketingplan, Konzeption, Design, Simulation, Entwurf – bis hin zur Produktion eines Prototyps. Start-up-Bedingungen mit Uniflair. „Wir arbeiten zwar konzeptionell wie ein Start-up“, sagt Nicolas Sollich, „aber wir haben einen großen Vorteil: Als sogenanntes Fokus-Projekt der ETH müssen wir uns nicht auf die Wirtschaftlichkeit fixieren.“ Ein Vollzeitjob ist das Projekt trotzdem. Sollich ist einer von vier Studenten, die am heutigen Tag zwischen den beiden Büros in der ersten Etage des Instituts hin- und her pendeln und stellvertretend das gesamte ibex-Team repräsentieren. „Vor der Abschlusspräsentation haben wir nächtelang durchgearbeitet und fast die gesamte Woche hier verbracht“, sagt der 23-jährige. Nun ist in einem der beiden Projekträume das Ergebnis von zwei Semestern Gruppenarbeit zu betrachten. Ein Bagger. Kein echter natürlich, vielmehr eine Simulatorplattform, die bis ins Detail dem Cockpit eines echten Menzi Muck-Schreitbaggers nachempfunden ist. 

Tekkie Story Der erste ferngesteuerte Rettungsbagger der Welt
Gewohnte Arbeitsumgebung für den Baggerführer: Die Einheit wird mit zwei Original Menzi-Muck-Joysticks gesteuert.

Baggersteuern in Echtzeitsimulation 

Menzi Muck – so heißt der Schweizer Hersteller des weltweit führenden Spezialbaggers für unwegsames Gelände, weit verbreitet im Erdbau, in der Forstwirtschaft und auch im Katastrophenschutz. Mit seinen flexibel beweglichen „Spinnenbeinen“ kann der Menzi Muck ideal zu Arbeiten in unwegsamen Gelände eingesetzt werden, etwa an Steilhängen. „Das Robotic Systems Lab „RSL“ (http://www.rsl.ethz.ch) an der ETH hat zum Hersteller seit Jahren gute Verbindungen“, sagt Nicolas Sollich. Die dem Fokus-Projekt zugrunde liegende Vision sei angesichts von regelmäßigen Verschüttungen am Gotthard-Tunnel und ähnlichen Katastropheneinsätzen aufgekommen: Den Bagger fernsteuerbar machen, um ihn aus sicherer Entfernung ohne Fahrer direkt an den Unglücksort zu schicken – und nicht erst, wenn Geologen nach Stunden oder gar Tagen das Gelände als ausreichend sicher erklärt und freigegeben haben.

Doch wie bekommt man echtes „Bagger-Feeling“ auf die Fernsteuerung? „Wir haben anfangs mit mehreren Baggerfahrern gesprochen, und auch mit dem Chef von Menzi Muck“, erzählt Sollichs Studienkollege Michael Katz (25). „Dabei sind wir schnell zu dem Schluss gekommen, dass man keine Chance hat, wenn man den Bagger lediglich mit Joysticks lenkt und parallel das Geschehen über einen Bildschirm überwacht.“ Anders gesagt: Der Lenkende muss über die Fernsteuerung hinaus alle Bewegungen und Reaktionen, die er auslöst, unmittelbar spüren können – ähnlich wie bei einem professionellem Flugsimulator. Nur dann ist eine effektive Steuerung möglich. 

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Der Steuerstand in der Wartungsphase: Wie bei jeder neuen Erfindung werden die Bauteile immer wieder ausgetauscht oder modifiziert.

"Uns war schnell klar, dass wir einen Echtzeitsimulator brauchen,um den Bagger effektiv fernsteuern zu können."

Die Grundidee ist so klar wie technisch anspruchsvoll: Das Modell bildet die Bewegungen und Ausrichtung des Baggers in Echtzeit ab. Der Fahrer sitzt im Simulator-Cockpit und bedient exakt die gleichen Joysticks und Pedalen, die auch im Bagger-Cockpit vorhanden sind. Das dazu passende visuelle Feedback erhält er über drei nebeneinander montierte Bildschirme. Gleichzeitig spürt er in Echtzeit die Bewegungen, die der reale Bagger ausführt – auch solche, die sehr schnell und extrem sind. „Die drei Freiheitsgrade des Systems ermöglichen es, Positionen von bis zu 45 Grad Neigewinkel um die Roll- und Nickachse abzubilden“, sagt Michael Katz. „Das sieht teilweise ganz schön wild aus.“

Mit Racing-Sitz und Sicherheitsgurt im Bagger-Simulator

Die Simulation „in action“ können Sollich, Katz und ihre beiden Kollegen Jonas Peschel (23) und Moritz Zimmermann (21) an diesem Tag leider nicht vorführen. „Wir haben momentan die Motoren ausgebaut, um sie durch noch stärkere zu ersetzen und das System zu optimieren“, sagt Peschel.  „Ein Detail haben wir allerdings im Vergleich zum echten Baggercockpit verändert“, ergänzt Zimmerman. „Anders als bei den Baggerprofis kann sich der Fahrer bei uns mit einem Sicherheitsgurt anschnallen.“  Dass das durchaus nötig ist und wie schnell und rasant das System bereits arbeitet, zeigt ein vom ibex-Team produziertes YouTube-Video.

Bisher arbeiten die Studenten noch ausschließlich mit einer Spezialsoftware, die auf den Bildschirmen eine realitätsnahe Einsatzumgebung simuliert und sogar Erdpartikel nachbilden kann. Neben der Fernsteuerung eröffnet sich so eine zweite Einsatzmöglichkeit: Ein Bagger-Simulator für Schulungszwecke – Baggerfahren lernen, ohne jemals auf einem echten Bagger gesessen zu haben. Ein Operator-Training-Konzept, das sich langfristig – wie bei Flugsimulatoren – sogar für baggerbegeisterte Tekkies mit Spieltrieb zweitverwerten ließe.

 

Im nächsten Schritt soll zunächst ein Menzi Muck-“Zielbagger“ mit Kameras, Sensoren und Mikrofonen ausgestattet werden. So kann die Steuerplattform aus sicherer Entfernung Kommandos zum Bagger schicken. Der Bagger wiederum schickt Bild, Ton und alle gemessenen Bewegungen zurück an die Plattform. „Die Zeitverzögerung  darf nicht mehr als 50 Millisekunden betragen, daher werden wir bei den Daten mit analoger Funkübertragung arbeiten, wie sie auch bei Modellflugzeugen benutzt wird“, erklärt Moritz Zimmermann. Übrigens: Ohne die Forschungsarbeit des Ex-ETH-Studenten Albert Einstein hätte dieser Teil des Ibex-Projekts gar nicht stattfinden können. Denn nur dank der Erkenntnisse aus der Relativitätstheorie, können Fernseher und Monitore heute überhaupt gestochen scharfe Bilder übertragen.

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Einzigartig: „Weltweit existiert kein anderer Simulator, der sich unendlich oft um 360 Grad drehen kann.“

Traditioneller Erfindergeist an der besten Hochschule in Kontinentaleuropa

Fokus-Projekte wie ibex sind eine Spezialität der ETH Zürich. Die Themenbandbreite ist groß. So hat ein anderes Team des gleichen Jahrgangs zum Beispiel einen dehnbaren Volumensensor erfunden, der es Querschnittsgelähmten und MS-Kranken ermöglicht, den Füllstand ihrer Blase zu überprüfen. „Ein Produkt von A bis Z zu entwickeln und zu erleben, wie aus einer ersten Idee etwas ganz Konkretes entsteht“– so beschreibt Michael Katz die Faszination der Gruppenarbeit. Nicolas Sollich hebt das „learnig by doing“ hervor: „Am Anfang hat man keine Ahnung, und nach einem Jahr kann man eine Motorensteuerung programmieren.“ Der außergewöhnlichste Moment sei der erste erfolgreiche Test des Simulators gewesen. Ein Wechselbad der Gefühle. Vorher: Skeptische Stimmung. Nachher: Pure Euphorie. „Keiner wollte der erste Operator sein. Man fragt sich: Stimmt alles? Kollidiert nichts?“

In Kürze wird das ibex-Team seine Ergebnisse an das Institut übergeben. Danach werden andere die Pionierarbeit der neun Studenten fortsetzen. Einen kompletten Abschied von ibex bedeutet das jedoch nicht: „Wahrscheinlich werden sich die meisten von uns auf dem Weg zum Master immer wieder mal mit dem Projekt beschäftigen werden, zum Beispiel in Form von Semesterarbeiten.“

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Die jungen Ingenieure vor dem historischen Hauptgebäude der ETH Zürich von 1864. Damals hieß die Universität noch „Polytechnikum“.

Zum Abschluss des Interviews versammeln sich die vier ibex-Erfinder für eine Foto-Session vor dem altehrwürdigen Hauptgebäude der ETH. Sollte Albert Einstein diese Szene über das eingangs erwähnte „Jenseits-Fernsehen“ verfolgen, so könnte er auf die Schnelle noch einen anderen Tekkie der ersten Stunde dazu holen: Gottfried Semper. Der Star-Architekt, den meisten als Schöpfer der Dresdner Semper-Oper bekannt, hat auch das berühmte ETH-Hauptgebäude erbaute. Man kann davon ausgehen, dass sich Einstein und Semper einig wären: Angesichts von Fokus-Projekten wie ibex und diversen anderen Förderprogrammen sowie jährlich rund 90 Patentanmeldungen durch ETH-Mitarbeiter muss man sich um den diesseitigen Erfindergeist an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich keine Sorgen machen. 

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