機器人將成為未來危機處理專家
http://www.moduwu.com 2020-03-20 11:11 來源：《環球》雜志 姚依娜
越來越多形態功能各異的機器人活躍在危機現場，幫助人類應對災難。
無人機、無人車、醫療機器人、消毒機器人等在新冠肺炎疫情中的突出表現，讓人們看到了無人科技應對公共衛生危機的獨特優勢。
在全球各地發生的各種自然災害、事故災難中，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，蘇聯切爾諾貝利核電站發生嚴重核事故時，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。
危機應對的強烈需求，促使人類在研制應急機器人的道路上不斷前行。時至今日，越來越多形態功能各異的機器人活躍在危機現場，幫助人類應對災難。
抵達無人核現場
1979年3月，美國三哩島核電站發生嚴重的核事故，其中2號反應堆的安全殼發生氫爆，泄漏出大量放射性物質。此次核事故后，美國開始研究適用于高輻射環境背景下的機器人，以代替人類進入高放射性區域進行輻射探測及應急事故處理。
Odetics公司的ODEX-Ⅰ六足機器人是美國第一款應用于放射性環境的機器人。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，只有監測功能。
1986年4月，切爾諾貝利核事故發生之后，蘇聯為這場核事故設計了專門的機器人Mobot-ChHV，但該機器人只裝備了電機組件用于清理屋頂的放射性垃圾，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耐輻照核應急機器人。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年成功進入切爾諾貝利核事故現場。它采用全電控的履帶結構，攜帶的特殊鉆頭可鉆透反應堆的墻壁和碎石。它有一個最大臂展可負載45公斤的6自由度機械臂，可在反應堆內部進行采樣工作。它還攜帶多種傳感探測器，用于探測事故現場的輻射場和溫濕度等信息。Pioneer使用了三維攝像系統，采用3D虛擬現實技術，構建事故現場的三維圖。
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中心、日本原子能研究院和制造與技術中心三家機構研究針對核事故應急工作的耐輻照核應急機器人。此后，各機構研制出多款機器人，可在高放射性區域進行視頻、溫濕度和輻射監測，以及在事故現場進行應急處置和環境采樣等。
2011年4月，日本東京電力公司福島第一核電站發生嚴重的核事故，多個反應堆發生了不同程度的氫爆。事發后，各國投入了多種核應急機器人進入事故現場進行應急救援工作。
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場的機器人。它原本不是耐輻照機器人，但為了快速進入核事故現場應急，其敏感部位加裝了屏蔽防護層。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配有可拆卸式前置履帶，具有較強的越障能力和傾翻自調功能，可適應復雜的事故現場。
另一款進入事故現場的機器人是日本千葉工業大學研發的Quince系列機器人。Quince-1機器人在一次監測任務中，因通信線纜被鉤破導致無法返回。改進后的Quince-2和Quince-3機器人可使用中繼通信、無線遠程遙控。它們體積小巧，有較強的穩定性和越障能力；3D攝像系統可以實時測繪現場的三維圖；紅外感應器和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；機械臂可用于反應堆內部液體取樣，可遞送食物或者其他補給。
事故發生后，美軍無人機“全球鷹”在日本上空飛行數天，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堆的除障、清理和監測機器人。其中，Rosemary和Sakura機器人常雙機聯合使用，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，增加后者的監測范圍。
另外，還有可變形機器人，可通過安全殼的導管進入安全殼內進行監測。在導管內直線行駛時，機器人使用直線棒形結構，進入安全殼內部后，變為凹字形或蝎子形行駛監測。
救援能力逐步提升
2001年，美國“9·11”事件發生后，一批救援機器人抵達現場，在搜救犬和人無法抵達的區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表現突出，它動作靈活、轉向迅速，具有較好的地面適應性。由于它配備了3套具有數字變焦功能的視頻傳感器，即使在黑暗的環境中也能完成搜索任務。
不過，搜救現場的實際情況也反映出當時救援機器人的技術短板。機器人體積偏大，無法進入狹小的空間；高溫導致機器人履帶軟化，無法正常行進；無線通訊問題導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。可是它最終還是因行進中陷入泥潭而受阻。
2008年汶川地震后，中國地震應急搜救中心和中國地震局地質研究所的研究人員呼吁發展基于小型無人駕駛智能飛行機器人的災情快速采集系統和生命體征信息智能采集機器人技術。
此后，中國地震搜救中心與中國科學院沈陽自動化研究所等科研單位在“863”計劃“救災救援危險作業機器人”項目的支持下，共同研制和開發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區，協同中國國家救援隊開展搜救工作。
據介紹，進入災區后，廢墟搜索機器人全程配合救援隊進行廢墟排查工作。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境。當時龍門鄉政府所在地受災較重，街道上多處門店受地震破壞嚴重，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入嚴重破壞的建筑物中，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，實現了對地震廢墟區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度和部署提供了決策依據。
2014年，云南昭通市魯甸地震后，中國自主研發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。這被認為是中國無人機震后應用的標志性事件。
以往，地震專家們都是徒步進入最危險的災區，調查情況，再將消息送回，時間長、安全度低。衛星遙感技術受分辨率和拍攝角度等因素限制，給救災決策帶來困難。無人機可在震后迅速進入災區航拍，實時傳回清晰的圖像，成本低、易操縱、反應快，對大面積區域震害調查效率更高。
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，巴黎圣母院突發火災。在數小時內，大約400名消防隊員動用了數十輛消防車、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，可持續工作8個小時，能進入巴黎圣母院主體結構內部進行滅火、降溫。
據機器人設計者介紹，“巨人”可執行多項任務，如撲滅火災、疏散傷員、運輸設備，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，需要消防員遠程遙控，還不能完全取代人。
同年，杭州市余杭區一廠房發生火災，在滅火現場，浙江大華技術股份有限公司研制的智能消防滅火機器人發揮了重要作用。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，可實時傳輸現場的可見光、熱成像畫面至遙控器或應急消防救援平臺；通過多傳感器融合，實時采集現場環境的溫濕度、有毒有害和可燃氣體濃度；它的高壓水炮具備一鍵自擺功能，可全自動定幅往復噴射。同時，該款機器人具備較強的越障能力，可適應草地、碎石、沙石等復雜路面環境。
發展方向
中國礦業大學機電工程學院教授葛世榮撰文指出，當前機器人的技術還無法完全滿足復雜災難現場救援任務的要求。機器人的移動能力、感知能力、通信能力、續航能力以及特殊環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用。
當前的機器人只是針對單一的功能進行設計，而危機往往是復雜的、多狀況共存的動態系統，僅依靠單一功能并不能完成應急救援任務，需要對機器人的功能進行集成。
由于技術原因，目前還沒有任何機器人能實現自主搜救，都需要人工操作。相信在不遠的未來，操作人員可以只進行決策層的工作，機器人能夠自行穿越復雜地形，自動搜尋被困人員，救援效率將大幅提高。
多機器人的協同也至關重要，有利于完成復雜的應急任務。現在，對于多機器人協作主要集中在體系結構、任務分配、通信、協作定位、地圖構建與探索、運動協調和系統重構的研究上。
功率質量比是反映機器人動力性能最為重要的參數，輕量化會使無人系統產品便攜化、機動性更強。當前，對于救援機器人輕量化的研究主要集中在輕質高強度材料的研究、機器人外殼的優化設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救援功能集成化、救援行為自主化、救援任務協同化、救援裝備輕量化。機器人將具備自我判斷能力，自主優化路徑，選擇最適宜的危機處理方式。
來源：2020年3月18日出版的《環球》雜志 第6期
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