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越來越多形態(tài)功能各異的機(jī)器人活躍在危機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，幫助人類應(yīng)對(duì)災(zāi)難。

無人機(jī)、無人車、醫(yī)療機(jī)器人、消毒機(jī)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(duì)公共衛(wèi)生危機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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(gè)維度提升著人類的危機(jī)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(shí)，各國投入的機(jī)器人曾因耐輻照強(qiáng)度不夠或被電纜卡住，在短時(shí)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(xiǎn)，不少救援人員由于遭受過量核輻射而遇難。

危機(jī)應(yīng)對(duì)的強(qiáng)烈需求，促使人類在研制應(yīng)急機(jī)器人的道路上不斷前行。時(shí)至今日，越來越多形態(tài)功能各異的機(jī)器人活躍在危機(jī)現(xiàn)場(chǎng)，幫助人類應(yīng)對(duì)災(zāi)難。

抵達(dá)無人核現(xiàn)場(chǎng)

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(hào)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(jī)器人，以代替人類進(jìn)入高放射性區(qū)域進(jìn)行輻射探測(cè)及應(yīng)急事故處理。

Odetics公司的ODEX-Ⅰ六足機(jī)器人是美國第一款應(yīng)用于放射性環(huán)境的機(jī)器人。它由三個(gè)伺服電機(jī)控制移動(dòng)，可沿任意方向移動(dòng)。但它沒有機(jī)械臂等功能部件，只有監(jiān)測(cè)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(chǎng)核事故設(shè)計(jì)了專門的機(jī)器人Mobot-ChHV，但該機(jī)器人只裝備了電機(jī)組件用于清理屋頂?shù)姆派湫岳瑳]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(jī)器人。他們資助的RedZone機(jī)器人公司研制出耐輻照機(jī)器人Pioneer，該款機(jī)器人于1998年成功進(jìn)入切爾諾貝利核事故現(xiàn)場(chǎng)。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(gè)最大臂展可負(fù)載45公斤的6自由度機(jī)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(cè)器，用于探測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)的輻射場(chǎng)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(shí)技術(shù)，構(gòu)建事故現(xiàn)場(chǎng)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(shí)到研究耐輻照核應(yīng)急機(jī)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(jī)構(gòu)研究針對(duì)核事故應(yīng)急工作的耐輻照核應(yīng)急機(jī)器人。此后，各機(jī)構(gòu)研制出多款機(jī)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(cè)，以及在事故現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(jī)器人進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)急救援工作。

美國iRobot公司2011年提供的Packbot機(jī)器人是第一個(gè)投入福島核事故現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人。它原本不是耐輻照機(jī)器人，但為了快速進(jìn)入核事故現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)、可裝載多種探測(cè)器和功能機(jī)械臂等特點(diǎn)。兩只履帶主動(dòng)輪外側(cè)配有可拆卸式前置履帶，具有較強(qiáng)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(chǎng)。

另一款進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人是日本千葉工業(yè)大學(xué)研發(fā)的Quince系列機(jī)器人。Quince-1機(jī)器人在一次監(jiān)測(cè)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(jī)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(qiáng)的穩(wěn)定性和越障能力；3D攝像系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)的三維圖；紅外感應(yīng)器和CO2探測(cè)器能探測(cè)人體呼吸和體溫狀況，及時(shí)將被救人員身體狀況反映給救援人員；機(jī)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(bǔ)給。

事故發(fā)生后，美軍無人機(jī)“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(cè)機(jī)器人。其中，Rosemary和Sakura機(jī)器人常雙機(jī)聯(lián)合使用，Sakura機(jī)器人利用自身300米長的有線線纜，為Rosemary機(jī)器人提供無線中繼通信，增加后者的監(jiān)測(cè)范圍。

另外，還有可變形機(jī)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(cè)。在導(dǎo)管內(nèi)直線行駛時(shí)，機(jī)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(cè)。

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(jī)器人抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，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(jī)器人TALON表現(xiàn)突出，它動(dòng)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(chǎng)的實(shí)際情況也反映出當(dāng)時(shí)救援機(jī)器人的技術(shù)短板。機(jī)器人體積偏大，無法進(jìn)入狹小的空間；高溫導(dǎo)致機(jī)器人履帶軟化，無法正常行進(jìn)；無線通訊問題導(dǎo)致機(jī)器人有大約四分之一的時(shí)間無法正常工作；機(jī)器人的圖像智能識(shí)別能力不足；人機(jī)協(xié)同能力較差，控制者與機(jī)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(gè)深孔給井下輸送氧氣，同時(shí)向井下派出了救援機(jī)器人。這是機(jī)器人第一次被用于礦難救援。可是它最終還是因行進(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(jī)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(jī)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(dòng)化研究所等科研單位在“863”計(jì)劃“救災(zāi)救援危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人”項(xiàng)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(jī)器人。2013年雅安蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生后，項(xiàng)目組成員第一時(shí)間攜帶廢墟搜索機(jī)器人與旋翼無人機(jī)趕赴災(zāi)區(qū)，協(xié)同中國國家救援隊(duì)開展搜救工作。

據(jù)介紹，進(jìn)入災(zāi)區(qū)后，廢墟搜索機(jī)器人全程配合救援隊(duì)進(jìn)行廢墟排查工作。該機(jī)器人攜帶紅外攝像機(jī)和聲音傳感器，能實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)倒塌的可能。加之震后余震不斷，極大地威脅到搜救隊(duì)員的人身安全。而廢墟搜索機(jī)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(shí)時(shí)清晰畫面。對(duì)整個(gè)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(duì)該棟危樓的排查工作。

旋翼無人機(jī)也成功完成了自主起飛、空中懸停、航跡點(diǎn)跟蹤飛行、超低空信息獲取、自主降落等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震廢墟區(qū)域的快速信息獲取與實(shí)時(shí)影像回傳，提升了搜救行動(dòng)效率，為救援隊(duì)有針對(duì)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(jī)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(jī)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(xiǎn)的災(zāi)區(qū)，調(diào)查情況，再將消息送回，時(shí)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(jī)可在震后迅速進(jìn)入災(zāi)區(qū)航拍，實(shí)時(shí)傳回清晰的圖像，成本低、易操縱、反應(yīng)快，對(duì)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(dòng)持續(xù)了兩年。2011年，水下機(jī)器人在水下4000米的位置找到了飛機(jī)殘骸和黑匣子，失事謎團(tuán)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(hào)補(bǔ)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(jī)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(gè)方向以弧形散開，機(jī)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(diǎn)水深最淺65米，最深85米，水下地形是一個(gè)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(jī)器人潛入水中參與協(xié)助救援。在水下65.7米處，機(jī)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(shí)內(nèi)，大約400名消防隊(duì)員動(dòng)用了數(shù)十輛消防車、至少18個(gè)高壓水槍、多架無人機(jī)以及一臺(tái)機(jī)器人滅火。該消防機(jī)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(gè)小時(shí)，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(jī)器人設(shè)計(jì)者介紹，“巨人”可執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，如撲滅火災(zāi)、疏散傷員、運(yùn)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(chǎng)，浙江大華技術(shù)股份有限公司研制的智能消防滅火機(jī)器人發(fā)揮了重要作用。該機(jī)器人頂部的熱成像雙目云臺(tái)攝像機(jī)，能自動(dòng)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(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)的可見光、熱成像畫面至遙控器或應(yīng)急消防救援平臺(tái)；通過多傳感器融合，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)定幅往復(fù)噴射。同時(shí)，該款機(jī)器人具備較強(qiáng)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(jī)電工程學(xué)院教授葛世榮撰文指出，當(dāng)前機(jī)器人的技術(shù)還無法完全滿足復(fù)雜災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)救援任務(wù)的要求。機(jī)器人的移動(dòng)能力、感知能力、通信能力、續(xù)航能力以及特殊環(huán)境下對(duì)于機(jī)器人的特定要求均制約了機(jī)器人在危機(jī)事件中的應(yīng)用。

當(dāng)前的機(jī)器人只是針對(duì)單一的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而危機(jī)往往是復(fù)雜的、多狀況共存的動(dòng)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(duì)機(jī)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(jī)器人能實(shí)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(jī)器人能夠自行穿越復(fù)雜地形，自動(dòng)搜尋被困人員，救援效率將大幅提高。

多機(jī)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)。現(xiàn)在，對(duì)于多機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jī)器人動(dòng)力性能最為重要的參數(shù)，輕量化會(huì)使無人系統(tǒng)產(chǎn)品便攜化、機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。當(dāng)前，對(duì)于救援機(jī)器人輕量化的研究主要集中在輕質(zhì)高強(qiáng)度材料的研究、機(jī)器人外殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及新型高容量電池的研究等方面。

葛世榮表示，未來的機(jī)器人將實(shí)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(jī)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(jī)處理方式。

來源：2020年3月18日出版的《環(huán)球》雜志 第6期