极限作业机器人系列（六）——核事故救援机器人

极限作业机器人（robot under critical working condition）是可以在人类难以接受的环境下工作的工业机器人，核事故救援机器人则是其中用于核事故应急救援的一类机器人。

核电站机器人已经有几十年的研究历史, 20世纪40 年代,美国阿贡实验室开发出世界上最早用于操作放射性物质,名为M l的遥控式机械手。1977年,日本早稻田大学开发出第一台可用于核电站巡检的双足机器人。欧洲国家比较有代表性的核电站机器人产品包括德国的EMSM系列、法国的FOSAR系列、美国的SAMSNI系列机器人。日本和欧美国家一直引领着核电站机器人的发展趋势。但福岛核事故发生前,核电站机器人的研发主要集中在核电站巡检、日常维修和高放物质处置等领域,针对核电站事故后环境研制的机器人产品较少。

（核工业机器人）

在人类的核能利用历史上，曾发生过三场严重的核事故——1979年发生在美国的三哩岛核事故，1986年发生在前苏联(现乌克兰)的切尔诺贝利核事故，和2011年发生在日本的福岛核事故。切尔诺贝利核事故是核电历史上最为严重的一次核事故，也是人类历史上最为严重的一次工业事故。这一事故释放出来的放射性物质相当于广岛原子弹的400倍，直接受辐射尘污染的面积达20万平方公里。2006年，也就是事故发生后20年，法国《世界报》报道，当时60万抢险人员，已有10%去世，另有16.5万人成为不同程度的残疾人。

（切尔诺贝利核事故废墟）

切尔诺贝利核事故发生后, 投入了一批机器人用于清理高放射性现场的垃圾。然而，受当时的技术所限，绝大多数核电机器人均在不足20分钟时间内失去作业能力，一个德国机器人只持续了7分钟的工作, 辐射就摧毁了机器人机载的电子部件, 使其丧失了工作能力。因此只好采用人工救援, 而这却导致了31名消防和救护人员死亡，这批消防人员中很多人都因为辐射患病。此事件引起了人们对于高辐射条件下救援机器人的重视。其中, 卡耐基梅隆大学的RedZone机器人公司研制了ROSIE、Pinoeer等机器人系统。

（曾进入切尔诺贝利核事故现场的美国Pioneer耐辐照机器人）

2011年的福岛核事故因地震和海啸的破坏，核电站的三个反应堆因过热发生堆芯熔毁。最初进入事故现场的机器人被“秒杀”，即便后来专门加强防辐射的机器人，在深入反应炉拍摄两小时后停止运作。不过在那样每小时辐射量高达650希沃特的强辐射环境下，设计可承受1000希沃特辐射的机器人强撑两小时已属不易，人类在这种环境下只要10秒钟就会死亡。

（福岛一号核反应堆，其顶部在事故中被摧毁）

科研人员对原有机器人进行了改造，使之适应于严重核辐照的环境。日本的研究人员开发出了新版的机器人Mini-Manbo，有一个可爱的昵称“小太阳鱼”（little sunfish），是用辐射加固材料制造的，能够利用传感器避开核电站反应堆建筑中的危险热点，耗时三天最终抵达了严重受损的三号反应堆，发回了熔毁铀燃料棒的视频。Manbo的尺寸只有鞋盒大小，能够使用微小的螺旋桨在水中盘旋滑翔，类似于一架空中无人驾驶机。

（日本Mini-Manbo机器人）

美国iRobot公司的Warrior和PackBot，美国QinetiQ公司的TALON、Dragon Runner和BOBCAT机器人原本是专门为战场研制的，经改装后它们进入了新战场——福岛核电站发生事故的反应堆奋力作战，穿行于被毁坏的反应堆建筑内部，协助清理残骸，侦测辐射量及周边环境及传回人类指挥部，拆除大型障碍物等。

（左图为Warrior机器人，右图为TALON机器人）

（美国PackBot机器人）

虽然福岛核事故发生至今已近十年，但里面的辐射水平屡破纪录，不止生人勿近，就连机器人也承受不住。福岛核事故后 , 各国对机器人在核电站事故处理中的作用有了重新认识 , 斥巨资开发相关产品。日本于 2 01 2 年 10 月开发出两款机器人用于福岛救灾现场:一款为小型移动式操作机器人,具备较强的越障能力、涉水能力,代替人员完成事故现场探查任务,另一款为可穿戴式机器人,可提高人员负载能力和操作能力。东芝公司发布了名为“福岛探索者”的一款四足机器人,该机器人可用于检测残留的放射性物质。2012年,美国Darp编制研发计划,准备开发路障清除、阀门操作设备更换、楼梯越障等8个方向的机器人,大部分方向适用于核电站救灾作业。欧洲的法国、德国等国家,也纷纷加大了核电站救援机器人的研发投入 。

（日本灾后救援机器人Queens）

我国同样十分重视核电站救援机器人的研制。1994年中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学牵头联合多家国内单位,研制了“勇士号”遥控移动作业机器人。这是我国自主研发的第一款以核工业实际应用为背景,可以对核设施中的设备装置进行监测、检查和简单事故处理的机器人。“勇士号”机器人尺寸710 mm×1 500 mm×1 600 mm,重量420kg，支持有线和无线通讯两种控制方式,无线通讯控制距离可达100 m,可以爬40°楼梯,翻越25cm高度障碍。福岛核事故后，2012年中广核集团牵头承担了国家“863 计划”项目“核反应堆专用机器人技术与应用”和“973 计划”项目“核电站紧急救灾机器人的基础科学问题”。其中“核反应堆专用机器人技术与应用”项目研发了6 款机器人。此外,清华大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京航空航天大学等单位也纷纷开展了核工业机器人的研发。

（勇士号机器人）

核事故发生后最明显的事故现场特点就是高放射性。其次,核事故现场,可能会因爆炸、火灾、洪水等原因造成现场路况复杂,如碎石堆积、积水坑、建筑结构倒塌等情况,导致应急人员或机器设备难以进入事故现场开展应急工作。另外,核设施建筑往往使用较厚的钢筋混凝土类密封结构,建筑内外电磁屏蔽效果明显,事故发生后,无线信号难以从设施内部发送至外界,且事故现场可能产生高温高湿的环境,影响机械设备正常运行。

（福岛核事故现场）

目前，世界上核事故救援机器人的发展越来越趋向于小型化、模块化、智能化和通用化，耐辐照技术、通讯技术、辐射探测技术和热防护技术等关键技术等也越来越成熟。

（国产Delfin 耐辐照水下潜艇）