Utrechtse studenten bouwen onderwaterdrone

Onderwaterrobots voorzien in een sterk groeiende behoefte. Aan de Hogeschool Utrecht vormen ze de verbindende schakel tussen een reeks technische opleidingen, die studenten laten leren door te doen.

TEKST: PANCRAS DIJK

Bij binnenkomst vallen ze meteen op. Op een lange tafel in de praktijkruimte van het lectoraat smart systems for healthy living van de Hogeschool Utrecht staan drie onderwaterrobots opgesteld. Met de voorste, vrij klein nog, begon het allemaal. De andere twee zijn duidelijk geavanceerder en zwaarder uitgevoerd. Met de jongste versie nam het team van Robosub deze zomer deel aan een internationale competitie. Voor het tweede jaar op rij keerden ze terug met de onderscheiding voor het meest innovatieve team. ‘Vijf kilo moet eraf volgend jaar’, zegt teamleider Rik Lafeber. ‘De studenten hebben er dit jaar voor gevochten dat hij niet kleiner hoefde. Maar nu zeggen ze zelf ook: dit moet lichter, dat moet compacter. Dus hij gaat absoluut op dieet. Dat is ook weer mooie input voor de nieuwe projecten.’

Het Robosub-team bestaat pas sinds 2024, maar ontwikkelt zich razendsnel. Terwijl veel studententeams elk jaar grotendeels opnieuw beginnen, pakt elke lichting van Robosub de draad op waar de voorgangers zijn gebleven. Ze zijn in de regel een semester lang voltijds teamlid, maar blijven daarna vaak betrokken. De enorme werkruimte, zegt lector Matthijs Smakman, vormt het ‘kloppend hart van het lectoraat’ op de campus aan de oostkant van Utrecht. Dat lectoraat telt drie hoofddisciplines: werktuigbouwkunde, elektrotechniek en ICT. ‘En die komen elkaar in sommige projecten ook heel nadrukkelijk tegen. Zeker in het onderwaterrobotproject hebben we elk van die drie disciplines keihard nodig’, zegt Smakman.

Veilige leefomgeving

Lafeber vertelt hoe het begon. ‘We deden hier al lang onderzoek naar additive manufacturing. Maar die technologie is inmiddels gemeengoed geworden en daarom voor ons niet zo interessant meer voor onderzoek.’ Samen met teambegeleider Colin Voncken zocht hij naar een nieuw, spannend project dat voor langere tijd studenten kon bezighouden, relevante, nieuwe kennis zou opleveren én waaraan maatschappelijke behoefte zou bestaan.

Hun oog viel op de maritieme techniek. ‘Daar is zoveel over te doen op dit moment. Van het al dan niet per ongeluk raken van kabels op de zeebodem tot aan de nieuwe Europese regels over waterkwaliteit en het inspecteren van kades, bruggen en sluizen’, zegt Lafeber. Daarbij bestaat er grote behoefte aan automatisering, terwijl daar in het onderwijs tot nu toe nauwelijks aandacht voor was. ‘Bedrijven als Boskalis moeten hun eigen mensen opleiden op dit vlak. Dat is raar, want het aantal bedrijven in ons land die iets met water, waterkwaliteit of scheepvaart doen, is best groot.’

Voncken verwoordt het uiteindelijke doel van het Robosub-project zo: ‘het ontwerpen, bouwen en testen van onderwaterrobots die een serieuze bijdrage leveren aan een veilige, schone leefomgeving.’ Die veiligheid kan bijvoorbeeld zitten in bruggen waar verkeer veilig overheen kan, legt Voncken uit, en het schone kan slaan op de waterkwaliteit of een gezonde biodiversiteit.

Modulair werken

Versie één van de onderwaterrobot van het Utrechtse team was vooral een proof of principle. Versie twee kon wat meer en kreeg een arm. Versie drie, die onlangs deelnam aan de European Robotics League in Noorwegen, is goeddeels modulair opgebouwd.

Dat modulaire ontwerp heeft ook een praktische reden, legt Voncken uit. Studenten werken allemaal in kleine teams ieder aan een specifiek onderdeel: een hydraulisch systeem, het batterijpakket, communicatieelektronica, een manipulator, software of beeldverwerking. Door die modulen zoveel mogelijk zelfstandig te houden, blijft het project overzichtelijk en veilig. ‘We willen niet dat iemand per ongeluk een kabeltje aanraakt, iets kapotmaakt en vervolgens geen idee heeft waar de fout zit’, zegt Voncken. ‘Dus schermen we functies af. Iedereen werkt aan zijn eigen module, die later weer in het geheel past.’

Het levert een opmerkelijke machine op. De robot kan worden aangepast aan verschillende taken door complete modulen te vervangen. Vandaag hangt er een grijparm onder. Morgen kan dat een boor zijn of een meetsysteem. Het ‘brein’ blijft hetzelfde en moet uiteindelijk steeds autonomer gaan functioneren.

Concrete onderzoeksvragen

Het Robosub-project draait weliswaar om het bouwen van coole onderwaterrobots, er ligt wel degelijk een behoefte van bedrijfsleven en overheid aan ten grondslag, vertelt lector Matthijs Smakman. Waterkwaliteit staat steeds hoger op de politieke agenda: autonome robots kunnen een grote rol spelen in het monitoren ervan. Veel kademuren, maar ook bruggen en sluizen naderen het eind van hun theoretische levensduur. Onderwaterrobots zouden bij uitstek geschikt zijn voor het uitvoeren van geregelde, grondige inspecties. ‘Eigenlijk wil je een duikoperatie doen zonder steeds een team van duikers nodig te hebben’, zegt Smakman. ‘Niet alleen vanwege het personeelstekort, maar ook vanwege de veiligheid.’

Daar kwamen nog de vragen van waterschappen, gemeenten en havenbedrijven bij. Hoe inspecteer je oevers? Hoe controleer je waterkwaliteit? Hoe spoor je lekkages op? Hoe monitor je biodiversiteit? Allemaal toepassingen waar kleine, autonome onderwaterdrones uitkomst kunnen bieden.

In plaats van een klassiek onderzoeksproject besloot het lectoraat daarom onderzoek en onderwijs volledig te vervlechten. Studenten bouwen mee aan een robot en werken tegelijk aan concrete onderzoeksvragen uit de praktijk. Dat betekent dat vrijwel iedere opleiding een bijdrage levert. Werktuigbouwkundigen ontwerpen constructies en hydraulica. Elektrotechnici ontwikkelen printplaten, vermogenselektronica en communicatiesystemen. ICT-studenten schrijven software, bouwen simulaties en werken aan autonome navigatie. Technische bedrijfskundigen houden zich bezig met planning en organisatie.

Kleine kerngroep

De onderwaterrobot fungeert daarbij als gemeenschappelijk platform. ‘Een onderwaterrobot bestaat uit honderden van dit soort vragen’, zegt Lafeber. ‘Hoe dik moet een wand zijn? Hoe maak je iets waterdicht? Welke materialen kies je? Hoe stuur je een motor aan? Iedere kleine vraag kun je koppelen aan leerdoelen van studenten.’

Die opzet maakt het mogelijk om studenten op heel verschillende manieren bij het project te betrekken. Sommigen werken enkele weken aan een afgebakende opdracht binnen een vak. Anderen sluiten via multidisciplinaire projecten aan. Een kleine kerngroep blijft zelfs meerdere jaren betrokken als junior onderzoeker.

Lafeber pakt er een dikke ordner bij. Die blijkt gevuld met kabelschema's, soldeerinstructies, werktekeningen, revisies en testprotocollen. Alleen de bekabeling vult al twaalf mappen. ‘We bouwen hem meteen zo dat we hem nóg een keer kunnen bouwen. Alles leggen we vast.’

Vrijwel ieder onderdeel maakt het team zelf. Elk onderdeel krijgt een nummer, een werktekening en een vaste plek in de documentatie. De huidige robot bevat volgens het team ongeveer 3.500 zelf ontworpen en geproduceerde onderdelen.

‘Alles hebben we zelf gemaakt’, zegt Voncken. ‘Behalve de camera, de boordcomputer en een paar specifieke onderdelen.’ Die nadruk op documenteren heeft nog een tweede functie. Studenten leren niet alleen ontwerpen, maar ook overdraagbaar werken. Dat blijkt minstens zo belangrijk als het bouwen zelf. Want aan het eind van ieder studiejaar verdwijnt een groot deel van het team, al blijven de meesten wel betrokken. ‘Oud-studenten komen regelmatig een avondje langs om te helpen’, vertelt Lafeber. ‘Dat begint echt een community te worden.’

Opwaartse kracht

Dat viel ook in Noorwegen op, waar het team deze zomer deelnam aan een internationale competitie. Tijdens repetities voor de eindpresentatie waren de alumni nog strenger en kritischer dan de docenten. ‘Colin en ik keken elkaar aan en dachten: twee jaar geleden deden jullie precies hetzelfde als de teams waarop jullie nu kritiek hebben’, zegt Lafeber.

Voor de wedstrijd in Noorwegen kwamen dertien studententeams uit verschillende landen met hun onderwaterrobot opdrachten uitvoeren die rechtstreeks uit de maritieme praktijk waren afgeleid: objecten oppakken, infrastructuur inspecteren, een pijpleiding volgen, onder water een laadstation vinden en daarop aanmeren. Voor Robosub was het extra uitdagend. De robot is ontworpen voor Nederlandse binnenwateren, met vrijwel altijd slecht zicht. In Noorwegen is het water weliswaar helder, maar door het zout bleek de opwaartse kracht op het vaartuig zo’n 20 procent groter dan in het testbassin op de hogeschool.

‘We hadden het doorgerekend’, vertelt Lafeber. ‘Maar uiteindelijk weet je pas zeker of het werkt als de robot erin ligt.’ Voor de zekerheid gingen er alsnog stalen schijven mee als ballast. Andere teams kregen hun robot nauwelijks onder water. Sommige moesten de schroeven continu op vol vermogen laten draaien om beneden te blijven. Juist daar werkte een van de eigen innovaties van het Utrechtse team. De robot beschikt over een actief drijfsysteem: in plaats van met tie-wraps en losse gewichten het drijfvermogen aan te passen, kan het vaartuig naar eigen inzicht zelf water in- en uitpompen.

Goede sier

Datzelfde vermogen helpt ook om de balans te behouden wanneer er verschillende modulen onder worden gehangen. Bij een opdracht waarbij de robot tien seconden op een onderwaterplatform moest blijven liggen, bewees dat systeem zijn waarde. ‘We hebben hem vol laten pompen tot hij hard naar de bodem zonk’, zegt Lafeber. ‘Toen hij op het platform was geland konden wij de bediening simpelweg loslaten, terwijl de andere teams juist veel moeite hadden hun robot onderwater op z’n plek te houden.’ De robot bleef bewegingloos op het platform liggen en de jury dacht dat hij was uitgevallen. ‘Ze riepen: jullie geven op. Wacht maar, zeiden we. Wij hoeven hem niet vast te houden om hem daar te laten liggen.’ Dergelijke technische oplossingen zijn leuk om goede sier mee te maken in een competitie. Maar ze hebben ook serieus, praktisch nut. Bedrijven willen onderwaterrobots bijvoorbeeld langdurig op één plek kunnen laten meten of zelfstandig onderwater laten opladen zonder steeds naar de oppervlakte terug te keren.

Intussen ging zeker niet alles goed in Noorwegen. Zo liep de robot vrijwel meteen vol water, inclusief alle elektronica. Maanden werk leken in één klap verloren, maar de teamleden toonden hun veerkracht. Een deel van de studenten bleef bij de wedstrijd om andere teams te observeren. De rest verhuisde naar de kelder van de Airbnb, waar alle reserveonderdelen lagen opgeslagen. ‘We zijn tot laat in de avond bezig geweest, maar met de helft van het team hebben we de onderwaterdrone weer gefixt.’

Emotiebegeleider

De robot is inmiddels ondanks de modulaire opbouw toch zo complex dat vrijwel ieder probleem meerdere disciplines raakt. Een lekkage is niet alleen een mechanisch probleem, maar kan ook elektronica, software en besturing beïnvloeden. Repareren gebeurt daarom altijd in multidisciplinaire groepjes. ‘Het is nooit een monoprobleem’, zegt Voncken. ‘Alles raakt aan iets anders.’

De rol van de begeleiders is meer dan alleen die van technisch experts. Ze regelen sponsoring, zoeken opdrachten, organiseren de reis, koppelen projecten aan vakken en leerdoelen, begeleiden studenten en bewaken de grote lijn. ‘En behalve procesleider zijn we soms ook emotiebegeleider.’

Bijvoorbeeld toen een andere wedstrijd, in Italië, ineens werd afgelast. Binnen een dag moest een alternatief worden gezocht. ‘De oudste teamleden werden erbij gehaald. Wat denken jullie dat een goed plan is? Nog geen uur later lagen de vergelijkingen tussen verschillende wedstrijden al op tafel. Het team koos voor Noorwegen.’

Een van de uitgangspunten van het project luidt: faal vroeg. Voncken: ‘Bouw eerst eens iets van hout. Test het idee. Kom erachter dat het niet past. Lach erom en ga weer verder.’ Juist door vroeg fouten te maken, worden dure missers later voorkomen. Mislukkingen worden zo geen frustrerende struikelblokken, maar onderdeel van het ontwerpproces.

Die houding blijkt minstens zo waardevol als technische kennis. De begeleiders noemen voorbeelden van studenten die drie jaar geleden nauwelijks een presentatie durfden te geven vanwege spreek- of faalangst. Inmiddels presenteren zij zonder aarzelen hun ontwerp aan internationale jury’s.

Passie

De alumni van het team vinden vaak snel een mooie werkgever. Ze werken bij Defensie, scheepsbouwers of elders in de maritieme sector. Sommigen komen nog altijd terug om nieuwe studenten te helpen.

Misschien is dat uiteindelijk de grootste winst van het project. De robot zelf zal volgend jaar opnieuw veranderen, met lichtere onderdelen, betere software en nieuwe modulen. Sommige ideeën verdwijnen weer, andere groeien uit tot zelfs wetenschappelijke publicaties.

Maar tegelijk wordt ook weer een nieuwe lichting studenten afgeleverd. ‘In dit project komen ze in aanraking met dingen die jammer genoeg een beetje zijn wegbezuinigd in het onderwijs’, zegt Lafeber. Juist van die technisch uitdagende, op de praktijk gerichte projecten valt het meest te leren. ‘Dan gaat het om soft skills door in een team te werken, maar juist ook in de techniek vinden ze elkaar’, zegt lector Smakman. Of ze nu ICT’er of werktuigbouwkundige zijn: allemaal zijn ze engineer aan het worden, met hun passie voor techniek als gemeenschappelijke basis.’

De laatste versie van de Robosub heeft onder meer drijfmodulen, de transparante flesjes aan weerszijden. Het brein zit in de centrale module; onderaan kunnen diverse modulen worden bevestigd.