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越來越多形態(tài)功能各異的機器人活躍在危機現(xiàn)場，幫助人類應(yīng)對災(zāi)難。

無人機、無人車、醫(yī)療機器人、消毒機器人等在新冠肺炎疫情中的突出表現(xiàn)，讓人們看到了無人科技應(yīng)對公共衛(wèi)生危機的獨特優(yōu)勢。

在全球各地發(fā)生的各種自然災(zāi)害、事故災(zāi)難中，無人科技也從多個維度提升著人類的危機處理能力。

然而在30多年前，蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站發(fā)生嚴(yán)重核事故時，各國投入的機器人曾因耐輻照強度不夠或被電纜卡住，在短時間內(nèi)喪失了工作能力。在沒有替代者的情況下，人類只能親身涉險，不少救援人員由于遭受過量核輻射而遇難。

危機應(yīng)對的強烈需求，促使人類在研制應(yīng)急機器人的道路上不斷前行。時至今日，越來越多形態(tài)功能各異的機器人活躍在危機現(xiàn)場，幫助人類應(yīng)對災(zāi)難。

抵達(dá)無人核現(xiàn)場

1979年3月，美國三哩島核電站發(fā)生嚴(yán)重的核事故，其中2號反應(yīng)堆的安全殼發(fā)生氫爆，泄漏出大量放射性物質(zhì)。此次核事故后，美國開始研究適用于高輻射環(huán)境背景下的機器人，以代替人類進(jìn)入高放射性區(qū)域進(jìn)行輻射探測及應(yīng)急事故處理。

Odetics公司的ODEX-Ⅰ六足機器人是美國第一款應(yīng)用于放射性環(huán)境的機器人。它由三個伺服電機控制移動，可沿任意方向移動。但它沒有機械臂等功能部件，只有監(jiān)測功能。

1986年4月，切爾諾貝利核事故發(fā)生之后，蘇聯(lián)為這場核事故設(shè)計了專門的機器人Mobot-ChHV，但該機器人只裝備了電機組件用于清理屋頂?shù)姆派湫岳?，沒有配備電子元器件。

美國能源部和美國國家航空航天局為此也開始研發(fā)耐輻照核應(yīng)急機器人。他們資助的RedZone機器人公司研制出耐輻照機器人Pioneer，該款機器人于1998年成功進(jìn)入切爾諾貝利核事故現(xiàn)場。它采用全電控的履帶結(jié)構(gòu)，攜帶的特殊鉆頭可鉆透反應(yīng)堆的墻壁和碎石。它有一個最大臂展可負(fù)載45公斤的6自由度機械臂，可在反應(yīng)堆內(nèi)部進(jìn)行采樣工作。它還攜帶多種傳感探測器，用于探測事故現(xiàn)場的輻射場和溫濕度等信息。Pioneer使用了三維攝像系統(tǒng)，采用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建事故現(xiàn)場的三維圖。

1999年9月，日本JCO公司的一座核燃料加工工廠發(fā)生了濃縮鈾臨界事故。此次事故讓日本政府意識到研究耐輻照核應(yīng)急機器人的必要性和緊迫性。從2000年開始，日本政府組織日本核安全技術(shù)中心、日本原子能研究院和制造與技術(shù)中心三家機構(gòu)研究針對核事故應(yīng)急工作的耐輻照核應(yīng)急機器人。此后，各機構(gòu)研制出多款機器人，可在高放射性區(qū)域進(jìn)行視頻、溫濕度和輻射監(jiān)測，以及在事故現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急處置和環(huán)境采樣等。

2011年4月，日本東京電力公司福島第一核電站發(fā)生嚴(yán)重的核事故，多個反應(yīng)堆發(fā)生了不同程度的氫爆。事發(fā)后，各國投入了多種核應(yīng)急機器人進(jìn)入事故現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急救援工作。

美國iRobot公司2011年提供的Packbot機器人是第一個投入福島核事故現(xiàn)場的機器人。它原本不是耐輻照機器人，但為了快速進(jìn)入核事故現(xiàn)場應(yīng)急，其敏感部位加裝了屏蔽防護(hù)層。它具有體積小、重量輕、運動能力強、可裝載多種探測器和功能機械臂等特點。兩只履帶主動輪外側(cè)配有可拆卸式前置履帶，具有較強的越障能力和傾翻自調(diào)功能，可適應(yīng)復(fù)雜的事故現(xiàn)場。

另一款進(jìn)入事故現(xiàn)場的機器人是日本千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的Quince系列機器人。Quince-1機器人在一次監(jiān)測任務(wù)中，因通信線纜被鉤破導(dǎo)致無法返回。改進(jìn)后的Quince-2和Quince-3機器人可使用中繼通信、無線遠(yuǎn)程遙控。它們體積小巧，有較強的穩(wěn)定性和越障能力；3D攝像系統(tǒng)可以實時測繪現(xiàn)場的三維圖；紅外感應(yīng)器和CO2探測器能探測人體呼吸和體溫狀況，及時將被救人員身體狀況反映給救援人員；機械臂可用于反應(yīng)堆內(nèi)部液體取樣，可遞送食物或者其他補給。

事故發(fā)生后，美軍無人機“全球鷹”在日本上空飛行數(shù)天，搜集到了日本核電站的高清圖像，并檢查了被破壞的核反應(yīng)堆和冷卻池，提供了非常重要的事故中心影像資料。

2013年8月1日，日本成立國際核退役研究所（IRID），研制了多款用于福島核事故反應(yīng)堆的除障、清理和監(jiān)測機器人。其中，Rosemary和Sakura機器人常雙機聯(lián)合使用，Sakura機器人利用自身300米長的有線線纜，為Rosemary機器人提供無線中繼通信，增加后者的監(jiān)測范圍。

另外，還有可變形機器人，可通過安全殼的導(dǎo)管進(jìn)入安全殼內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測。在導(dǎo)管內(nèi)直線行駛時，機器人使用直線棒形結(jié)構(gòu)，進(jìn)入安全殼內(nèi)部后，變?yōu)榘甲中位蛐有涡旭偙O(jiān)測。

救援能力逐步提升

2001年，美國“9·11”事件發(fā)生后，一批救援機器人抵達(dá)現(xiàn)場，在搜救犬和人無法抵達(dá)的區(qū)域找到一些遇難者遺體。美國Fostermiller公司的履帶式救援機器人TALON表現(xiàn)突出，它動作靈活、轉(zhuǎn)向迅速，具有較好的地面適應(yīng)性。由于它配備了3套具有數(shù)字變焦功能的視頻傳感器，即使在黑暗的環(huán)境中也能完成搜索任務(wù)。

不過，搜救現(xiàn)場的實際情況也反映出當(dāng)時救援機器人的技術(shù)短板。機器人體積偏大，無法進(jìn)入狹小的空間；高溫導(dǎo)致機器人履帶軟化，無法正常行進(jìn)；無線通訊問題導(dǎo)致機器人有大約四分之一的時間無法正常工作；機器人的圖像智能識別能力不足；人機協(xié)同能力較差，控制者與機器不能很好地配合。

2006年，美國西弗吉尼亞薩戈煤礦發(fā)生礦難，救援人員鉆了3個深孔給井下輸送氧氣，同時向井下派出了救援機器人。這是機器人第一次被用于礦難救援?？墒撬罱K還是因行進(jìn)中陷入泥潭而受阻。

2008年汶川地震后，中國地震應(yīng)急搜救中心和中國地震局地質(zhì)研究所的研究人員呼吁發(fā)展基于小型無人駕駛智能飛行機器人的災(zāi)情快速采集系統(tǒng)和生命體征信息智能采集機器人技術(shù)。

此后，中國地震搜救中心與中國科學(xué)院沈陽自動化研究所等科研單位在“863”計劃“救災(zāi)救援危險作業(yè)機器人”項目的支持下，共同研制和開發(fā)了地震廢墟搜索與輔助救援系列機器人。2013年雅安蘆山7.0級地震發(fā)生后，項目組成員第一時間攜帶廢墟搜索機器人與旋翼無人機趕赴災(zāi)區(qū)，協(xié)同中國國家救援隊開展搜救工作。

據(jù)介紹，進(jìn)入災(zāi)區(qū)后，廢墟搜索機器人全程配合救援隊進(jìn)行廢墟排查工作。該機器人攜帶紅外攝像機和聲音傳感器，能實時傳輸廢墟內(nèi)部的圖像、語音信息，供救援人員快速確定幸存者的位置及周圍環(huán)境。當(dāng)時龍門鄉(xiāng)政府所在地受災(zāi)較重，街道上多處門店受地震破壞嚴(yán)重，主承重墻受損，有隨時倒塌的可能。加之震后余震不斷，極大地威脅到搜救隊員的人身安全。而廢墟搜索機器人順利進(jìn)入嚴(yán)重破壞的建筑物中，由樓梯爬上二樓，傳送回實時清晰畫面。對整個樓層進(jìn)行搜索，確定無人員受困之后，它又安全返回，完成了對該棟危樓的排查工作。

旋翼無人機也成功完成了自主起飛、空中懸停、航跡點跟蹤飛行、超低空信息獲取、自主降落等任務(wù)，實現(xiàn)了對地震廢墟區(qū)域的快速信息獲取與實時影像回傳，提升了搜救行動效率，為救援隊有針對性地調(diào)度和部署提供了決策依據(jù)。

2014年，云南昭通市魯?shù)榈卣鸷?，中國自主研發(fā)的無人機傳回首批高分辨率影像圖，可清晰判讀出房屋損毀、道路受阻、山體塌方、水位上漲及堰塞湖等情況。這被認(rèn)為是中國無人機震后應(yīng)用的標(biāo)志性事件。

以往，地震專家們都是徒步進(jìn)入最危險的災(zāi)區(qū)，調(diào)查情況，再將消息送回，時間長、安全度低。衛(wèi)星遙感技術(shù)受分辨率和拍攝角度等因素限制，給救災(zāi)決策帶來困難。無人機可在震后迅速進(jìn)入災(zāi)區(qū)航拍，實時傳回清晰的圖像，成本低、易操縱、反應(yīng)快，對大面積區(qū)域震害調(diào)查效率更高。

水火之中顯身手

2009年，法航447航班墜海后，搜索行動持續(xù)了兩年。2011年，水下機器人在水下4000米的位置找到了飛機殘骸和黑匣子，失事謎團得以解開。

2014年，在尋找失蹤的馬來西亞航班MH370過程中，澳大利亞海軍“海洋之盾”號補給艦使用了美國提供的“藍(lán)鰭金槍魚”自主式水下航行器。該機器人可下潛至水深4500米處，發(fā)射聲吶脈沖掃描海底，脈沖向兩個方向以弧形散開，機器人能接收到在脈沖范圍內(nèi)物體的反射聲波，利用“聲波陰影”判斷物體高度并形成圖像。

2016年，四川廣元沉船事故中，救援點水深最淺65米，最深85米，水下地形是一個斜坡并有石頭。由于環(huán)境限制，且無法提供所需氣體，蛙人下潛安全深度一般不超過50米，最深不超過75米。為保障救援人員生命安全，水下機器人潛入水中參與協(xié)助救援。在水下65.7米處，機器人找到了事故船體。

2019年4月，巴黎圣母院突發(fā)火災(zāi)。在數(shù)小時內(nèi)，大約400名消防隊員動用了數(shù)十輛消防車、至少18個高壓水槍、多架無人機以及一臺機器人滅火。該消防機器人名叫“巨人”，長約1.6米，安裝有履帶，能夠爬樓梯，可持續(xù)工作8個小時，能進(jìn)入巴黎圣母院主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行滅火、降溫。

據(jù)機器人設(shè)計者介紹，“巨人”可執(zhí)行多項任務(wù)，如撲滅火災(zāi)、疏散傷員、運輸設(shè)備，以及使用視頻工具和氣體傳感器偵察火情等。它已在巴黎消防部門服役兩年，需要消防員遠(yuǎn)程遙控，還不能完全取代人。

同年，杭州市余杭區(qū)一廠房發(fā)生火災(zāi)，在滅火現(xiàn)場，浙江大華技術(shù)股份有限公司研制的智能消防滅火機器人發(fā)揮了重要作用。該機器人頂部的熱成像雙目云臺攝像機，能自動定位火源，即使在濃煙環(huán)境下，依然可以正常工作；它采用智能魚眼全景偵察，可實時傳輸現(xiàn)場的可見光、熱成像畫面至遙控器或應(yīng)急消防救援平臺；通過多傳感器融合，實時采集現(xiàn)場環(huán)境的溫濕度、有毒有害和可燃?xì)怏w濃度；它的高壓水炮具備一鍵自擺功能，可全自動定幅往復(fù)噴射。同時，該款機器人具備較強的越障能力，可適應(yīng)草地、碎石、沙石等復(fù)雜路面環(huán)境。

發(fā)展方向

中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院教授葛世榮撰文指出，當(dāng)前機器人的技術(shù)還無法完全滿足復(fù)雜災(zāi)難現(xiàn)場救援任務(wù)的要求。機器人的移動能力、感知能力、通信能力、續(xù)航能力以及特殊環(huán)境下對于機器人的特定要求均制約了機器人在危機事件中的應(yīng)用。

當(dāng)前的機器人只是針對單一的功能進(jìn)行設(shè)計，而危機往往是復(fù)雜的、多狀況共存的動態(tài)系統(tǒng)，僅依靠單一功能并不能完成應(yīng)急救援任務(wù)，需要對機器人的功能進(jìn)行集成。

由于技術(shù)原因，目前還沒有任何機器人能實現(xiàn)自主搜救，都需要人工操作。相信在不遠(yuǎn)的未來，操作人員可以只進(jìn)行決策層的工作，機器人能夠自行穿越復(fù)雜地形，自動搜尋被困人員，救援效率將大幅提高。

多機器人的協(xié)同也至關(guān)重要，有利于完成復(fù)雜的應(yīng)急任務(wù)?，F(xiàn)在，對于多機器人協(xié)作主要集中在體系結(jié)構(gòu)、任務(wù)分配、通信、協(xié)作定位、地圖構(gòu)建與探索、運動協(xié)調(diào)和系統(tǒng)重構(gòu)的研究上。

功率質(zhì)量比是反映機器人動力性能最為重要的參數(shù)，輕量化會使無人系統(tǒng)產(chǎn)品便攜化、機動性更強。當(dāng)前，對于救援機器人輕量化的研究主要集中在輕質(zhì)高強度材料的研究、機器人外殼的優(yōu)化設(shè)計以及新型高容量電池的研究等方面。

葛世榮表示，未來的機器人將實現(xiàn)救援功能集成化、救援行為自主化、救援任務(wù)協(xié)同化、救援裝備輕量化。機器人將具備自我判斷能力，自主優(yōu)化路徑，選擇最適宜的危機處理方式。

來源：2020年3月18日出版的《環(huán)球》雜志 第6期