福岛施救:机器人从缺阵到“粉墨登场”

2011-3-22 09:10 来源: 科学时报
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  “日本的机器人无处不在,除了核电站。”

  随着福岛救援工作的持续延长,日本救灾手段的技术含量之低引致一轮批评声浪。事实上,记者查阅文献资料表明,防核辐射机器人其实并不新鲜。

  最早开展研制的是美国,上世纪40年代,美国阿贡实验室研制出一台可操作放射性物质的机械手。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,可完成检查和开关电站阀门、处理放射性污水等增强操作。随着美国三里岛、苏联切尔诺贝利核事故的相继发生,包括美、法、德在内的一些国家纷纷加大核电站机器人的开发力度。无论是可执行的动作种类、行动的灵活性、电池的工作寿命,还是传送信号方面,都得到了全面提升。日本亦不例外。现在,世界上各类核电站机器人已不下数百台。

  但是,在反应堆安全壳内外执行任务是完全不同的情况。即使进入安全壳,反应堆运行时和停堆时情况也完全两样。福岛的难度在于,要在堆芯仍在熔化、反应时,进入安全壳内部,这不是一般的核电站机器人能完成的。事实上,目前绝大多数核电站机器人都只能用于停堆时的巡检和部分简单操作。

  据核电专家介绍,当电站运行出现故障时,过去通常的处理方法是先将整个核电站停机,再实施人工或机器辅助检修。这种检修一般需要好几天,每天经济损失可达上千万元人民币。为减少经济损失,对能在反应堆运行状态下进行检修的机器人的需求变得迫切。

  中科院沈阳自动化所是我国研制工业机器人的重镇。该所机器人学实验室研究员李斌向《科学时报》记者介绍,放射性物质裂变时释放的高频贝塔射线,很容易造成电子系统瞬间失灵,受影响最大的是摄像头。由于使用了光电传感器,摄像头内部元件同时受到光脉冲干扰和强电磁辐射干扰,一旦其损坏,场外控制就无法有效进行。为保证其有效工作,通常除选用特殊材料,还要对某些元件进行“加固”处理,其中包括实施一定的防护。

  这并不是全部。由于既要对设备采取一定防护措施,又要保持通讯畅通,因而不能全封闭。“这是一对矛盾。”李斌说。事实上,2009年河南辐照食品厂发生事故时,情形与此类似。钴60放射源升井后,被意外卡住无法下井,被裸露在空气中。当时也考虑过送机器人进去,但是辐照室强大的屏蔽性使信号无法穿透。这正是所有核电站机器人普遍面临的问题。当然,也可以采取有线连接。这可能是更为稳妥的办法。让机器人牵着一根长长的尾巴钻进去,或者干脆将机器人做成蜈蚣或者蛇的形状。这正在成为一种趋势。

  地震发生后,李斌和日本东北大学的同行进行了交流,他只听说有地震救援机器人参与搜寻幸存者,却没有听说进入福岛核电站的。而且地震之后接踵而至的海啸,也使这几个专为震后废墟搜寻而设计的机器人失去了用武之地。

  李斌解释说:“核工业机器人和地震救援机器人有很大不同,后者主要用于在倒塌的废墟中搜寻被掩埋的生命,而一旦路面塌方、海水上涌,这种机器人就无能为力了。”可见,环境的一点点变化,对机器人研究来说就是很大的挑战,往往需要重新立项、重新研制。“很多样机研制出来,可能一辈子都用不上”。

  这表明核电站机器人的一个特点,即并不存在万能的通用型机器人,只有能在特定环境下完成特定任务的机器人甲或机器人乙。由于可完成任务种类单一,这类机器人在严重事故发生时往往大打折扣,往往需要出动一群,而不是一个。

  3月17日,法国《世界报》报道称,国际原子能机构曾发出通告,向全世界征集可在核电站工作的机器人,法国人率先向日本伸出了橄榄枝。紧跟着,德国、美国也相继收到日本求援。理性的德国人要求日本提供福岛核电站尽可能齐全的数据和需求,以配备最合适的机器人。

  而在国际电气电子工程师协会(IEEE)一则探讨机器人技术的专业博客上,来自加州伯克利的资深作者Even透露了美国iRobot公司的援日详情。这家由麻省理工学院媒体实验室创立的著名机器人公司,前不久接到日本自卫队求援后,已经派出两台机器人Packbot和Warrior,于3月18日随技术人员赶赴福岛第一核电站。

  消息称,这两台机器人将在到达后进入反应堆内,由经过美方培训的日本人在600米以内的防护掩体后实行远程控制。Packbot主要用于检测和传送实时信息,包括温度、伽马射线强度、爆炸气体浓度及有毒化学物质的信息,它即使完全淹没在水里也可以工作;Warrior体形则大得多,不仅可携带68公斤载荷,还可以用机械臂举起90公斤重量,它将扮演“消防队员”的角色,使用软管往热区喷洒冷却水,此外它还需要像拖车一样拽着Packbot前进。

  李斌告诉记者,针对福岛核电站救援工作的特点,所需机器人可分为两类:观察型和作业型。“观察”指携带摄像头、温度和压力传感器以及辐射强度检测仪等进入后传回现场数据,“作业”内容包括切割、搬运放射物质、关阀门、喷水等。从目前来看,最紧迫的作业任务仍是迅速注水降温,然而这么大量的水,要求机器人具有很高的负载能力,一般机器人“负载根本跟不上,时间也来不及”,李斌推断,即使有机器人参与,也只能是以观察型为主,作业主要还得靠人工。

  事实上,能量问题是考验机器人执行能力的另一大瓶颈。科幻电影里出现的那种能量密度很高、体积又轻巧的能量块至少目前还没出现。机器人Warrior和它的伙伴究竟能否顺利完成任务,目前都还是未知数。

  更重要的是,为特定环境服务的特种机器人,由于几乎没有机会进行试验,因此研制者与核电站所有者必须就设计数据、运行需求和事故状况进行精确而及时对接。否则,日本尽管可以诞生阿西莫这样的机器人明星,可以制造月球车这样为公共事业服务的机器人,但假若有下一次核灾难发生,这种机器人集体缺阵的尴尬局面恐怕仍难避免。

  尽管机器人的征召如此艰难,不过很快,福岛核电站里就将出现欧、美各国机器人的踪影,而来自中国三一重工的长臂泵车也将在反应堆外实施远距离喷水任务。这既是与时间的赛跑,也是一个多国科技的竞技场。然而,这绝不仅仅是一个技术问题。