灾难来袭后，机器人可能会拯救你的生命

本文刊登在 2020 年 9 月/10 月的《发现》杂志上，题为“超级机器人拯救世界”。订阅以获取更多类似故事。

想象一下，你被困在倒塌建筑的废墟中。无法在瓦砾下移动，你被迫等待，希望急救人员能尽快把你从废墟中拉出来。终于，有什么东西从混凝土和钢筋的缠结中探出来，你发现自己与……一个机器人面对面？

我们在这个蓝色星球上不得不应对相当多的灾难。这些灾难的范围从飓风等极端天气事件到地震和火山爆发等其他自然现象。有时，像爆炸和轰炸一样，破坏是故意的——而在核事故、采矿灾难和大多数野火的情况下，它只是人类活动不幸的副作用。无论原因如何，几个世纪以来，人类一直在进行搜救任务，以拯救那些在灾难中幸存下来的人。

但在过去的几十年里，机器人在这些救援工作中扮演了越来越积极的角色。机器人已经克服了世界贸易中心袭击、飓风卡特里娜和哈维、福岛第一核电站灾难以及夏威夷基拉韦厄火山爆发等重大事件。

这些机械救星可以是地面、海洋或空中交通工具——包括无人机，它们不仅在废墟中搜寻幸存者，还从空中提供侦察。除此之外，全球的机器人专家正在建造新型的创意救援机器人。许多仍在开发中的项目从动物王国中汲取灵感，模仿大自然完善的设计，制造出能够穿越恶劣环境的机器，从类似蛇和蟑螂的机器人到一群自主蜜蜂。尽管许多距离实际投入使用还有数年时间，但它们指明了一个未来方向——与许多科幻作品中机器人带来死亡和破坏相反，未来的机器人将前来拯救我们。

灾难机器人简史

科学家在 1980 年代开始提出使用机器人进行搜救行动的想法。他们被机器人能够在各种环境中操作的前景所驱动，从地下隧道到火山口，再到建筑物倒塌时形成的扭曲的混凝土迷宫。简而言之，他们想要机器人能够去人类救援人员无法到达——或者只是太危险——的地方。“这似乎是机器人学的一个首选应用，”得克萨斯农工大学人道主义机器人和人工智能实验室主任、机器人专家 Robin Murphy 说。但这些想法当时没有获得太多关注，部分原因是机器人还没有足够先进来完成提出的任务。

然后，在1995年，地球两端发生了两起重大事件，促使科学家们更加认真地对待灾难机器人技术的潜力：俄克拉荷马城爆炸案和日本神户的阪神大地震。前者将阿尔弗雷德·P·默拉联邦大楼的大部分夷为平地，造成168人死亡。后者是日本历史上最严重的地震之一，估计造成6400人死亡，近40万座建筑物受损或被毁。默菲说，在这两种情况下，清理倒塌建筑物的困难使得救援人员几乎无法接触到被困在里面的人。“很可能有人被困在深处，”她说。“你根本无法及时到达他们身边。”

与此同时，世界各地的机器人专家正在努力制造更敏捷、能在极端环境下工作的机器人。这两场灾难作为催化剂，将搜救机器人学的概念从抽象想法转变为应用研究领域。在美国，这些努力由墨菲领导，而在日本，则由机器人专家田所哲领导；他们共同被认为是灾难机器人领域的创始人。

“日本人一直在研究大型机器人，”墨菲说。“他们想要大型机器人来快速清除瓦砾。”另一方面，在美国，重点是建造小型机器人，首先找到被困在倒塌建筑物中的人，然后想办法接近他们。“（两种方法）都非常慎重，采用安全的工程实践，”她补充道。“但它们是两种不同的方法。”

2001 年 9 月 11 日上午，世界贸易中心遇袭后，救援机器人首次投入使用。当天下午 4 点，由美国陆军约翰·布里奇中校（机器人辅助搜救中心创始人）率领的一支来自华盛顿特区的机器人专家团队抵达现场。当时，点燃双子塔的喷气燃料仍在燃烧。

“有些地方就像烤箱一样热，”当时是南佛罗里达大学工程学教授，并领导着一个独立机器人团队的墨菲说。她的研究小组已经准备好并等待了一年，以便在危机中部署机器人。墨菲和三名研究生一接到袭击消息，就跳上车，带着配备有车头灯和摄像头的、系有绳索的小型轮式机器人。“机器人的优势在于能够进入人类和狗无法进入的地方，做它们无法做到的事情，”墨菲补充道。

但将机器人送入这些地方并不总是那么容易。在世界贸易中心现场，科学家们很快意识到，他们通常需要爬梯子和攀爬碎片，才能将机器人部署到这些深处。在某些情况下，机器人必须装在背包里，从集结区步行半英里才能到达。

虽然这些机器人在 9/11 事件后没有找到任何幸存者，但它们在实时条件下为研究人员提供了宝贵的反馈。“我们开始看到，更小的（机器人）确实更好，”墨菲说。他们还了解到，当急救人员在混乱、非结构化的环境中与机器人合作时，两人协作比一人更好。“你不知道哪边是上面，你失去了深度感知，周围很黑，你承受着很大的压力，而且你看着一个小屏幕，”墨菲说。“所有这些都使得很容易出错。但如果你有第二个人，而且你们都在大声交谈，你的表现会大大提高。”在墨菲合著的一项 2004 年研究中，研究人员发现，与队友交谈更多的机器人专家在搜救演习中找到幸存者的可能性高出九倍。

灾害救援

自 9/11 事件以来，墨菲——机器人辅助搜救中心（现为人道主义机器人与人工智能实验室）的长期主任——已协助部署机器人应对近 30 起灾难。2005 年，当飓风卡特里娜袭击墨西哥湾沿岸时，墨菲和她的团队被派往密西西比州，在那里他们使用无人机绘制风暴破坏的范围。“这真是个明显的胜利，”她说。“你可以立即看到情况；你有一个很好的反馈回路，可以看到灾难的程度和洪水。”

十多年后，在飓风哈维（在六天内给德克萨斯州和路易斯安那州带来了约 27 万亿加仑的降雨）过后，墨菲和她的团队利用无人机提供了战术性的空中视野。这些无人机的任务是规划最佳路线，用于部署救援船只，将人们从被淹的家中救出。“它们能够立即看到这些社区不同区域的水深，从而估算出恢复工作会有多糟糕，”墨菲说。

此外，墨菲补充说，这种空中侦察在灾难中还带来了显著的经济效益。在飓风哈维之后的一个案例中，机器人辅助搜救中心派出无人机飞到一座封闭的桥下，评估水损害的程度——发现可以安全地重新向公众开放。“那是一条主要的通勤路线，”墨菲说。“在桥梁开放之前，人们无法回去工作。”然而，当我们大多数人想到搜救时，脑海中可能会浮现出人们从直升机上吊下来或在急救人员怀里的画面。这些机器人到底能挽救多少生命？

“这就像问一辆消防车救了多少人的命一样，”墨菲说。“机器人不会进去把任何人拉出来——人才是把人拉出来的人。”

但墨菲也提到了希腊难民危机中的一个时刻，当时数千人——其中许多人是为了逃离本国的暴力——试图乘船穿越地中海到达希腊大陆。2016 年，一艘载满人的船被困在岩石海岸，高耸的悬崖和汹涌的海浪使希腊海岸警卫队无法到达他们。急救人员使用一种名为 EMILY（Emergency Integrated Lifesaving Lanyard 的缩写）的遥控冲浪板式船只作为浮力装置，将人们送往安全地带。

“他们用这种方式救了 26 个人，”墨菲说。

蛇与地震

灾难机器人领域不仅仅局限于在地面行驶或空中侦察的改装车辆。如今，世界各地的科学家正在利用植物和动物的自然过程来建造更好一类的机器人——其中许多在搜救方面具有潜在应用。虽然其中一些仿生机器人仍局限于实验室，但至少有一个已在实际灾难中进行了测试。

2017年9月19日，一场毁灭性的7.1级地震震撼了墨西哥中部。地震震中位于圣胡安·拉博索市附近，距离墨西哥城仅75英里。地震造成近370人死亡，超过44,000座建筑物受损，其中包括首都城市许多倒塌的建筑物。

第二天，墨西哥红十字会 (Cruz Roja Mexicana) 的志愿者请求卡内基梅隆大学生物机器人实验室的机器人专家将他们的仿生机器——特别是他们的蛇形机器人——从匹兹堡带到墨西哥城，以协助救援工作。

“这有点超现实，”生物机器人实验室联合主任、系统科学家马修·特拉弗斯说。接下来的几天里，特拉弗斯与研究员尼科·泽瓦洛斯和研究生朱利安·惠特曼一起乘坐救护车，与急救人员一同穿梭于城市倒塌的建筑物之间。他们仅以燃气发电机作为动力源，利用模块化、细长机器人头部的摄像头窥视建筑物的开放空间——并确认里面没有人被困。

在过去的 20 年里，卡内基梅隆大学的实验室科学家一直致力于开发蛇形机器人。通过调整以前的机器人设计，他们创造了一种“统一蛇形机器人”，或称 U 形蛇，它由一系列相同的、铰接的模块组成，允许机器人的身体呈现各种形状，以穿越不同类型的地形。虽然 U 形蛇已被加长到包含多达 36 个模块，但在墨西哥城部署的版本只有 16 个模块——这使得机器人更容易控制。“如果你用手在空中画一个圆圈，你的肘部、肩膀和手腕都在做正确的事情，这样你就可以画出完美的圆圈，”卡内基梅隆大学机器人学教授兼生物机器人实验室联合主任 Howie Choset 说。“你拥有的关节越多，自由度越大，（协调）问题就越困难。”

但是……蛇？为什么非得是蛇呢？

简而言之，Choset 说，蛇是一个完美的模型，因为它们独特的形状和运动范围允许它们穿过狭窄的空间，就像倒塌的建筑物一样。“如果你以搜救为例，你现在有了一个救援人员可以用来基本上扩展其感官范围的工具，”Choset 说。“在倒塌的建筑物中情况非常糟糕；救援人员想要找到幸存者，很难接近他们。”他继续说，有了蛇形机器人的灵活性优势，它可能会穿过碎片与幸存者沟通。“这有点类似于蛇擅长的，”Choset 说。“因为在它们的早期进化中，它们是穴居动物。”

特拉弗斯和乔塞特承认，蛇形机器人在墨西哥城地震后的成功有限。“并不是我们把蛇形机器人带到那里，我们就赢得了战争，”特拉弗斯说。

由于机器人的摄像头很久没有更新，视频质量很差。此外，它没有配备任何麦克风、扬声器、距离传感器或热成像——所有这些功能本可以增强 U 型蛇与受害者沟通或绘制环境地图的能力。“我们没有更多（功能）的原因完全是因为钱，”Choset 说。

蛇形机器人的研究仍在继续。2 月，约翰霍普金斯大学的机器人专家发表了一篇论文，称他们的蛇形机器人比大多数先前的设计移动得更快——甚至接近其生物学对应物的速度。然而，尽管有这些最新进展，Choset 补充说，获得资助来开发搜救机器人仍然是一个挑战。

救援机器人大观园

虽然蛇是机器人专家模仿自然设计的主要仿生例子，但建造从动物身上汲取灵感的机器的想法却并非新鲜事。例如，从 15 世纪末开始，列奥纳多·达·芬奇就以鸟类或蝙蝠的翅膀为基础设计他的飞行器。“在过去的 20 到 30 年里，确实有更多的工程师试图从生物有机体中寻找灵感，”科罗拉多大学博尔德分校机器人学助理教授 Kaushik Jayaram 说。“部分原因可能只是我们对生物学了解得更多，所以我们能够真正理解动物是如何移动的。”

Jayaram 对动物运动学并不陌生。在加州大学伯克利分校担任研究助理期间，他领导了一项于 2016 年发表的研究，旨在更好地了解美洲大蠊（或美洲蟑螂）如何如此迅速地挤过微小的裂缝和缝隙。“事实证明，它们能够将外骨骼压扁一半以上，将自己从大约 15 毫米的站立高度压缩到仅仅 3 毫米，这大约是两枚叠放的硬币的大小，”Jayaram 说。“它们能够在不到一秒钟的时间内完成这一切。”即使这些令人毛骨悚然的生物挤过小缝隙，它们仍然能以每秒约五个体长的速度移动。Jayaram 说，如果放大到人类大小，这大约与尤塞恩·博尔特的世界纪录速度相同。

在同一项研究中，研究团队受到启发，设计了一款柔软、手掌大小的机器人，它在被压平时会向两侧伸展双腿，使其能够快速挤过自身高度一半的狭窄空间。这款名为 CRAM（可压缩带关节机构机器人）的机器人顶部覆盖着一个类似于蟑螂外骨骼的塑料罩，使其能够快速穿过受限空间。科学家们表示，这款机器人可用于在龙卷风、地震或爆炸后穿越瓦砾。“这类机器人将以群集形式部署，”Jayaram 说。“我设想它们会在这些高度非结构化的环境中爬行，并利用传感器寻找生命迹象。”

其他研究人员也建议派出成群的昆虫启发型机器人进行灾害救援。在哈佛大学，机器人学家兼工程学教授罗伯特·伍德一直在开发 RoboBees——微型飞行机器人，翼展大约有半美元硬币大小。2019 年，其中一只 RoboBee 在没有电源线的情况下首次单独飞行，成为有史以来最轻的能够持续无缆飞行的飞行器。“我们知道这些机器人小巧、敏捷、速度快，这意味着它们有可能进入倒塌建筑物的缝隙中，”伍德说。“理想情况下，这些东西成本会非常低。与其拥有一台全能的机器人，不如拥有成千上万个这样的小东西。也许它们中的大多数会失败，但如果你有大量的机器人，你就能获得更强大的覆盖范围。”

伍德表示，他可以设想救援人员携带一个工具包，很像一个笔记本电脑包，打开后部署一支 RoboBees 机队来勘测特定区域，并定期返回分享任何数据。但他也承认，他离实现这一愿景还有很长的路要走，这可能需要 10 到 20 年才能成为现实。

无论机器人更广泛地用于灾难需要多长时间，它们可能必须克服过程中一些反自动机偏见。根据皮尤研究中心 2017 年的一项调查，超过 70% 的美国人担心未来机器人和计算机可以完成目前由人类完成的工作。但像特拉弗斯这样的科学家认为，救援机器人可能会从根本上改变我们对机器的看法。“如果你在洪水中被困在建筑物中，而机器人找到了你，它就会（改变你的看法），”他说。“一旦自动化和技术带来的帮助大于伤害变得非常清楚，这种（转变）就会开始发生。”

机器人可以帮助对抗 COVID-19

随着医护人员、杂货店员工和送货卡车司机反复接触 COVID-19，工程师们清楚地认识到一件事：机器人可以处理其中一些任务。

在 3 月份发表在《科学机器人》上的一篇社论中，研究人员认为，在卫生紧急情况下，许多重要但有风险的工作可以由机器人完成。13 位科学家写道，一些早期技术已经能够处理其中一些任务，例如消毒表面。但就大部分而言，像患者咽喉拭子等工作的技术替代品仍需要财政和机构支持才能启动并运行。

在卫生紧急情况下，机器人还有一些不太明显的用途。隔离检疫会带来情感和精神上的负担。社交机器人可以填补一些空白，同时保持人与人之间的距离——这需要情感和情境决策技术的重大进步。

但是，机器人研究人员能否在足够长的时间内持续获得资金和兴趣，以使这些设备为下一次全球卫生紧急情况做好准备，还有待观察。—— 莱斯利·尼莫