極限作業(yè)機(jī)器人系列（六）——核事故救援機(jī)器人

極限作業(yè)機(jī)器人（robot under critical working condition）是可以在人類難以接受的環(huán)境下工作的工業(yè)機(jī)器人，核事故救援機(jī)器人則是其中用于核事故應(yīng)急救援的一類機(jī)器人。

核電站機(jī)器人已經(jīng)有幾十年的研究歷史, 20世紀(jì)40 年代,美國阿貢實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出世界上最早用于操作放射性物質(zhì),名為M l的遙控式機(jī)械手。1977年,日本早稻田大學(xué)開發(fā)出第一臺(tái)可用于核電站巡檢的雙足機(jī)器人。歐洲國家比較有代表性的核電站機(jī)器人產(chǎn)品包括德國的EMSM系列、法國的FOSAR系列、美國的SAMSNI系列機(jī)器人。日本和歐美國家一直引領(lǐng)著核電站機(jī)器人的發(fā)展趨勢。但福島核事故發(fā)生前,核電站機(jī)器人的研發(fā)主要集中在核電站巡檢、日常維修和高放物質(zhì)處置等領(lǐng)域,針對(duì)核電站事故后環(huán)境研制的機(jī)器人產(chǎn)品較少。

（核工業(yè)機(jī)器人）

在人類的核能利用歷史上，曾發(fā)生過三場嚴(yán)重的核事故——1979年發(fā)生在美國的三哩島核事故，1986年發(fā)生在前蘇聯(lián)(現(xiàn)烏克蘭)的切爾諾貝利核事故，和2011年發(fā)生在日本的福島核事故。切爾諾貝利核事故是核電歷史上最為嚴(yán)重的一次核事故，也是人類歷史上最為嚴(yán)重的一次工業(yè)事故。這一事故釋放出來的放射性物質(zhì)相當(dāng)于廣島原子彈的400倍，直接受輻射塵污染的面積達(dá)20萬平方公里。2006年，也就是事故發(fā)生后20年，法國《世界報(bào)》報(bào)道，當(dāng)時(shí)60萬搶險(xiǎn)人員，已有10%去世，另有16.5萬人成為不同程度的殘疾人。

（切爾諾貝利核事故廢墟）

切爾諾貝利核事故發(fā)生后, 投入了一批機(jī)器人用于清理高放射性現(xiàn)場的垃圾。然而，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)所限，絕大多數(shù)核電機(jī)器人均在不足20分鐘時(shí)間內(nèi)失去作業(yè)能力，一個(gè)德國機(jī)器人只持續(xù)了7分鐘的工作, 輻射就摧毀了機(jī)器人機(jī)載的電子部件, 使其喪失了工作能力。因此只好采用人工救援, 而這卻導(dǎo)致了31名消防和救護(hù)人員死亡，這批消防人員中很多人都因?yàn)檩椛浠疾　４耸录鹆巳藗儗?duì)于高輻射條件下救援機(jī)器人的重視。其中, 卡耐基梅隆大學(xué)的RedZone機(jī)器人公司研制了ROSIE、Pinoeer等機(jī)器人系統(tǒng)。

（曾進(jìn)入切爾諾貝利核事故現(xiàn)場的美國Pioneer耐輻照機(jī)器人）

2011年的福島核事故因地震和海嘯的破壞，核電站的三個(gè)反應(yīng)堆因過熱發(fā)生堆芯熔毀。最初進(jìn)入事故現(xiàn)場的機(jī)器人被“秒殺”，即便后來專門加強(qiáng)防輻射的機(jī)器人，在深入反應(yīng)爐拍攝兩小時(shí)后停止運(yùn)作。不過在那樣每小時(shí)輻射量高達(dá)650希沃特的強(qiáng)輻射環(huán)境下，設(shè)計(jì)可承受1000希沃特輻射的機(jī)器人強(qiáng)撐兩小時(shí)已屬不易，人類在這種環(huán)境下只要10秒鐘就會(huì)死亡。

（福島一號(hào)核反應(yīng)堆，其頂部在事故中被摧毀）

科研人員對(duì)原有機(jī)器人進(jìn)行了改造，使之適應(yīng)于嚴(yán)重核輻照的環(huán)境。日本的研究人員開發(fā)出了新版的機(jī)器人Mini-Manbo，有一個(gè)可愛的昵稱“小太陽魚”（little sunfish），是用輻射加固材料制造的，能夠利用傳感器避開核電站反應(yīng)堆建筑中的危險(xiǎn)熱點(diǎn)，耗時(shí)三天最終抵達(dá)了嚴(yán)重受損的三號(hào)反應(yīng)堆，發(fā)回了熔毀鈾燃料棒的視頻。Manbo的尺寸只有鞋盒大小，能夠使用微小的螺旋槳在水中盤旋滑翔，類似于一架空中無人駕駛機(jī)。

（日本Mini-Manbo機(jī)器人）

美國iRobot公司的Warrior和PackBot，美國QinetiQ公司的TALON、Dragon Runner和BOBCAT機(jī)器人原本是專門為戰(zhàn)場研制的，經(jīng)改裝后它們進(jìn)入了新戰(zhàn)場——福島核電站發(fā)生事故的反應(yīng)堆奮力作戰(zhàn)，穿行于被毀壞的反應(yīng)堆建筑內(nèi)部，協(xié)助清理殘骸，偵測輻射量及周邊環(huán)境及傳回人類指揮部，拆除大型障礙物等。

（左圖為Warrior機(jī)器人，右圖為TALON機(jī)器人）

（美國PackBot機(jī)器人）

雖然福島核事故發(fā)生至今已近十年，但里面的輻射水平屢破紀(jì)錄，不止生人勿近，就連機(jī)器人也承受不住。福島核事故后 , 各國對(duì)機(jī)器人在核電站事故處理中的作用有了重新認(rèn)識(shí) , 斥巨資開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。日本于 2 01 2 年 10 月開發(fā)出兩款機(jī)器人用于福島救災(zāi)現(xiàn)場:一款為小型移動(dòng)式操作機(jī)器人,具備較強(qiáng)的越障能力、涉水能力,代替人員完成事故現(xiàn)場探查任務(wù),另一款為可穿戴式機(jī)器人,可提高人員負(fù)載能力和操作能力。東芝公司發(fā)布了名為“福島探索者”的一款四足機(jī)器人,該機(jī)器人可用于檢測殘留的放射性物質(zhì)。2012年,美國Darp編制研發(fā)計(jì)劃,準(zhǔn)備開發(fā)路障清除、閥門操作設(shè)備更換、樓梯越障等8個(gè)方向的機(jī)器人,大部分方向適用于核電站救災(zāi)作業(yè)。歐洲的法國、德國等國家,也紛紛加大了核電站救援機(jī)器人的研發(fā)投入 。

（日本災(zāi)后救援機(jī)器人Queens）

我國同樣十分重視核電站救援機(jī)器人的研制。1994年中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和上海交通大學(xué)牽頭聯(lián)合多家國內(nèi)單位,研制了“勇士號(hào)”遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人。這是我國自主研發(fā)的第一款以核工業(yè)實(shí)際應(yīng)用為背景,可以對(duì)核設(shè)施中的設(shè)備裝置進(jìn)行監(jiān)測、檢查和簡單事故處理的機(jī)器人?！坝率刻?hào)”機(jī)器人尺寸710 mm×1 500 mm×1 600 mm,重量420kg，支持有線和無線通訊兩種控制方式,無線通訊控制距離可達(dá)100 m,可以爬40°樓梯,翻越25cm高度障礙。福島核事故后，2012年中廣核集團(tuán)牽頭承擔(dān)了國家“863 計(jì)劃”項(xiàng)目“核反應(yīng)堆專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”和“973 計(jì)劃”項(xiàng)目“核電站緊急救災(zāi)機(jī)器人的基礎(chǔ)科學(xué)問題”。其中“核反應(yīng)堆專用機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目研發(fā)了6 款機(jī)器人。此外,清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位也紛紛開展了核工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)。

（勇士號(hào)機(jī)器人）

核事故發(fā)生后最明顯的事故現(xiàn)場特點(diǎn)就是高放射性。其次,核事故現(xiàn)場,可能會(huì)因爆炸、火災(zāi)、洪水等原因造成現(xiàn)場路況復(fù)雜,如碎石堆積、積水坑、建筑結(jié)構(gòu)倒塌等情況,導(dǎo)致應(yīng)急人員或機(jī)器設(shè)備難以進(jìn)入事故現(xiàn)場開展應(yīng)急工作。另外,核設(shè)施建筑往往使用較厚的鋼筋混凝土類密封結(jié)構(gòu),建筑內(nèi)外電磁屏蔽效果明顯,事故發(fā)生后,無線信號(hào)難以從設(shè)施內(nèi)部發(fā)送至外界,且事故現(xiàn)場可能產(chǎn)生高溫高濕的環(huán)境,影響機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行。

（福島核事故現(xiàn)場）

目前，世界上核事故救援機(jī)器人的發(fā)展越來越趨向于小型化、模塊化、智能化和通用化，耐輻照技術(shù)、通訊技術(shù)、輻射探測技術(shù)和熱防護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)等也越來越成熟。

（國產(chǎn)Delfin 耐輻照水下潛艇）