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未来危机处理专家
  新华网 ( 2020-03-19 06:57:16 ) 来源: 《环球》杂志
 

    越来越多形态功能各异的机器人活跃在危机现场,帮助人类应对灾难。

文/《环球》杂志记者 姚依娜

  无人机、无人车、医疗机器人、消毒机器人等在新冠肺炎疫情中的突出表现,让人们看到了无人科技应对公共卫生危机的独特优势。

  在全球各地发生的各种自然灾害、事故灾难中,无人科技也从多个维度提升着人类的危机处理能力。

  然而在30多年前,苏联切尔诺贝利核电站发生严重核事故时,各国投入的机器人曾因耐辐照强度不够或被电缆卡住,在短时间内丧失了工作能力。在没有替代者的情况下,人类只能亲身涉险,不少救援人员由于遭受过量核辐射而遇难。

  危机应对的强烈需求,促使人类在研制应急机器人的道路上不断前行。时至今日,越来越多形态功能各异的机器人活跃在危机现场,帮助人类应对灾难。

抵达无人核现场

  1979年3月,美国三哩岛核电站发生严重的核事故,其中2号反应堆的安全壳发生氢爆,泄漏出大量放射性物质。此次核事故后,美国开始研究适用于高辐射环境背景下的机器人,以代替人类进入高放射性区域进行辐射探测及应急事故处理。

  Odetics公司的ODEX-Ⅰ六足机器人是美国第一款应用于放射性环境的机器人。它由三个伺服电机控制移动,可沿任意方向移动。但它没有机械臂等功能部件,只有监测功能。

  1986年4月,切尔诺贝利核事故发生之后,苏联为这场核事故设计了专门的机器人Mobot-ChHV,但该机器人只装备了电机组件用于清理屋顶的放射性垃圾,没有配备电子元器件。

  美国能源部和美国国家航空航天局为此也开始研发耐辐照核应急机器人。他们资助的RedZone机器人公司研制出耐辐照机器人Pioneer,该款机器人于1998年成功进入切尔诺贝利核事故现场。它采用全电控的履带结构,携带的特殊钻头可钻透反应堆的墙壁和碎石。它有一个最大臂展可负载45公斤的6自由度机械臂,可在反应堆内部进行采样工作。它还携带多种传感探测器,用于探测事故现场的辐射场和温湿度等信息。Pioneer使用了三维摄像系统,采用3D虚拟现实技术,构建事故现场的三维图。

  1999年9月,日本JCO公司的一座核燃料加工工厂发生了浓缩铀临界事故。此次事故让日本政府意识到研究耐辐照核应急机器人的必要性和紧迫性。从2000年开始,日本政府组织日本核安全技术中心、日本原子能研究院和制造与技术中心三家机构研究针对核事故应急工作的耐辐照核应急机器人。此后,各机构研制出多款机器人,可在高放射性区域进行视频、温湿度和辐射监测,以及在事故现场进行应急处置和环境采样等。

  2011年4月,日本东京电力公司福岛第一核电站发生严重的核事故,多个反应堆发生了不同程度的氢爆。事发后,各国投入了多种核应急机器人进入事故现场进行应急救援工作。

  美国iRobot公司2011年提供的Packbot机器人是第一个投入福岛核事故现场的机器人。它原本不是耐辐照机器人,但为了快速进入核事故现场应急,其敏感部位加装了屏蔽防护层。它具有体积小、重量轻、运动能力强、可装载多种探测器和功能机械臂等特点。两只履带主动轮外侧配有可拆卸式前置履带,具有较强的越障能力和倾翻自调功能,可适应复杂的事故现场。

  另一款进入事故现场的机器人是日本千叶工业大学研发的Quince系列机器人。Quince-1机器人在一次监测任务中,因通信线缆被钩破导致无法返回。改进后的Quince-2和Quince-3机器人可使用中继通信、无线远程遥控。它们体积小巧,有较强的稳定性和越障能力;3D摄像系统可以实时测绘现场的三维图;红外感应器和CO2探测器能探测人体呼吸和体温状况,及时将被救人员身体状况反映给救援人员;机械臂可用于反应堆内部液体取样,可递送食物或者其他补给。

  事故发生后,美军无人机“全球鹰”在日本上空飞行数天,搜集到了日本核电站的高清图像,并检查了被破坏的核反应堆和冷却池,提供了非常重要的事故中心影像资料。

  2013年8月1日,日本成立国际核退役研究所(IRID),研制了多款用于福岛核事故反应堆的除障、清理和监测机器人。其中,Rosemary和Sakura机器人常双机联合使用,Sakura机器人利用自身300米长的有线线缆,为Rosemary机器人提供无线中继通信,增加后者的监测范围。

  另外,还有可变形机器人,可通过安全壳的导管进入安全壳内进行监测。在导管内直线行驶时,机器人使用直线棒形结构,进入安全壳内部后,变为凹字形或蝎子形行驶监测。

救援能力逐步提升

  2001年,美国“9·11”事件发生后,一批救援机器人抵达现场,在搜救犬和人无法抵达的区域找到一些遇难者遗体。美国Fostermiller公司的履带式救援机器人TALON表现突出,它动作灵活、转向迅速,具有较好的地面适应性。由于它配备了3套具有数字变焦功能的视频传感器,即使在黑暗的环境中也能完成搜索任务。

  不过,搜救现场的实际情况也反映出当时救援机器人的技术短板。机器人体积偏大,无法进入狭小的空间;高温导致机器人履带软化,无法正常行进;无线通讯问题导致机器人有大约四分之一的时间无法正常工作;机器人的图像智能识别能力不足;人机协同能力较差,控制者与机器不能很好地配合。

  2006年,美国西弗吉尼亚萨戈煤矿发生矿难,救援人员钻了3个深孔给井下输送氧气,同时向井下派出了救援机器人。这是机器人第一次被用于矿难救援。可是它最终还是因行进中陷入泥潭而受阻。

  2008年汶川地震后,中国地震应急搜救中心和中国地震局地质研究所的研究人员呼吁发展基于小型无人驾驶智能飞行机器人的灾情快速采集系统和生命体征信息智能采集机器人技术。

  此后,中国地震搜救中心与中国科学院沈阳自动化研究所等科研单位在“863”计划“救灾救援危险作业机器人”项目的支持下,共同研制和开发了地震废墟搜索与辅助救援系列机器人。2013年雅安芦山7.0级地震发生后,项目组成员第一时间携带废墟搜索机器人与旋翼无人机赶赴灾区,协同中国国家救援队开展搜救工作。

  据介绍,进入灾区后,废墟搜索机器人全程配合救援队进行废墟排查工作。该机器人携带红外摄像机和声音传感器,能实时传输废墟内部的图像、语音信息,供救援人员快速确定幸存者的位置及周围环境。当时龙门乡政府所在地受灾较重,街道上多处门店受地震破坏严重,主承重墙受损,有随时倒塌的可能。加之震后余震不断,极大地威胁到搜救队员的人身安全。而废墟搜索机器人顺利进入严重破坏的建筑物中,由楼梯爬上二楼,传送回实时清晰画面。对整个楼层进行搜索,确定无人员受困之后,它又安全返回,完成了对该栋危楼的排查工作。

  旋翼无人机也成功完成了自主起飞、空中悬停、航迹点跟踪飞行、超低空信息获取、自主降落等任务,实现了对地震废墟区域的快速信息获取与实时影像回传,提升了搜救行动效率,为救援队有针对性地调度和部署提供了决策依据。

  2014年,云南昭通市鲁甸地震后,中国自主研发的无人机传回首批高分辨率影像图,可清晰判读出房屋损毁、道路受阻、山体塌方、水位上涨及堰塞湖等情况。这被认为是中国无人机震后应用的标志性事件。

  以往,地震专家们都是徒步进入最危险的灾区,调查情况,再将消息送回,时间长、安全度低。卫星遥感技术受分辨率和拍摄角度等因素限制,给救灾决策带来困难。无人机可在震后迅速进入灾区航拍,实时传回清晰的图像,成本低、易操纵、反应快,对大面积区域震害调查效率更高。

水火之中显身手

  2009年,法航447航班坠海后,搜索行动持续了两年。2011年,水下机器人在水下4000米的位置找到了飞机残骸和黑匣子,失事谜团得以解开。

  2014年,在寻找失踪的马来西亚航班MH370过程中,澳大利亚海军“海洋之盾”号补给舰使用了美国提供的“蓝鳍金枪鱼”自主式水下航行器。该机器人可下潜至水深4500米处,发射声呐脉冲扫描海底,脉冲向两个方向以弧形散开,机器人能接收到在脉冲范围内物体的反射声波,利用“声波阴影”判断物体高度并形成图像。

  2016年,四川广元沉船事故中,救援点水深最浅65米,最深85米,水下地形是一个斜坡并有石头。由于环境限制,且无法提供所需气体,蛙人下潜安全深度一般不超过50米,最深不超过75米。为保障救援人员生命安全,水下机器人潜入水中参与协助救援。在水下65.7米处,机器人找到了事故船体。

  2019年4月,巴黎圣母院突发火灾。在数小时内,大约400名消防队员动用了数十辆消防车、至少18个高压水枪、多架无人机以及一台机器人灭火。该消防机器人名叫“巨人”,长约1.6米,安装有履带,能够爬楼梯,可持续工作8个小时,能进入巴黎圣母院主体结构内部进行灭火、降温。

  据机器人设计者介绍,“巨人”可执行多项任务,如扑灭火灾、疏散伤员、运输设备,以及使用视频工具和气体传感器侦察火情等。它已在巴黎消防部门服役两年,需要消防员远程遥控,还不能完全取代人。

  同年,杭州市余杭区一厂房发生火灾,在灭火现场,浙江大华技术股份有限公司研制的智能消防灭火机器人发挥了重要作用。该机器人顶部的热成像双目云台摄像机,能自动定位火源,即使在浓烟环境下,依然可以正常工作;它采用智能鱼眼全景侦察,可实时传输现场的可见光、热成像画面至遥控器或应急消防救援平台;通过多传感器融合,实时采集现场环境的温湿度、有毒有害和可燃气体浓度;它的高压水炮具备一键自摆功能,可全自动定幅往复喷射。同时,该款机器人具备较强的越障能力,可适应草地、碎石、沙石等复杂路面环境。

发展方向

  中国矿业大学机电工程学院教授葛世荣撰文指出,当前机器人的技术还无法完全满足复杂灾难现场救援任务的要求。机器人的移动能力、感知能力、通信能力、续航能力以及特殊环境下对于机器人的特定要求均制约了机器人在危机事件中的应用。

  当前的机器人只是针对单一的功能进行设计,而危机往往是复杂的、多状况共存的动态系统,仅依靠单一功能并不能完成应急救援任务,需要对机器人的功能进行集成。

  由于技术原因,目前还没有任何机器人能实现自主搜救,都需要人工操作。相信在不远的未来,操作人员可以只进行决策层的工作,机器人能够自行穿越复杂地形,自动搜寻被困人员,救援效率将大幅提高。

  多机器人的协同也至关重要,有利于完成复杂的应急任务。现在,对于多机器人协作主要集中在体系结构、任务分配、通信、协作定位、地图构建与探索、运动协调和系统重构的研究上。

  功率质量比是反映机器人动力性能最为重要的参数,轻量化会使无人系统产品便携化、机动性更强。当前,对于救援机器人轻量化的研究主要集中在轻质高强度材料的研究、机器人外壳的优化设计以及新型高容量电池的研究等方面。

  葛世荣表示,未来的机器人将实现救援功能集成化、救援行为自主化、救援任务协同化、救援装备轻量化。机器人将具备自我判断能力,自主优化路径,选择最适宜的危机处理方式。

来源:2020年3月18日出版的《环球》杂志 第6期

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