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| 本文作者： 付靜 | 2020-05-29 18:29 |
2017 年，歐盟斥巨資打造了一款能一邊自動鉆到地下挖洞、一邊 3D 打印砌墻的機(jī)器人 BADGER，傳統(tǒng)的隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine）被甩出幾條街。
近日，美國通用電氣公司（General Electric Company，GE）更是受到蚯蚓和樹根的啟發(fā)，為現(xiàn)實版「神盾局」——美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）研發(fā)了一款用于軍事行動的快速隧道挖掘機(jī)器人。
這款機(jī)器人的研發(fā)，源自 DARPA 的一個「破壞者項目」（Underminer program）。
雷鋒網(wǎng)從 DARPA 官網(wǎng)了解到，這一項目旨在證明快速建設(shè)戰(zhàn)術(shù)隧道網(wǎng)絡(luò)的可行性，希望通過建設(shè)安全的后勤基礎(chǔ)設(shè)施，在部隊通過某一地區(qū)時預(yù)先部署補(bǔ)給或補(bǔ)充補(bǔ)給。
為此，DARPA 選定了三個團(tuán)隊強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，開發(fā)超過當(dāng)前商業(yè)鉆探能力的地下隧道挖掘技術(shù)和解決方案：
通用電氣公司：1892 年由發(fā)明大王愛迪生創(chuàng)立，是世界最大的提供技術(shù)和服務(wù)業(yè)務(wù)的跨國公司，在項目中專注于開發(fā)針對地下采礦技術(shù)和操作需求的綜合解決方案。
科羅拉多礦業(yè)學(xué)院：素以工程與采礦專業(yè)聞名，擁有一座礦物學(xué)博物館，是世界上資源開發(fā)、開采及利用方面研究實力最強(qiáng)的機(jī)構(gòu)之一。和通用電氣一樣，在該項目中專注于開發(fā)針對地下采礦技術(shù)和操作需求的綜合解決方案。
桑迪亞國家實驗室：是美國能源部與美國電話電報公司子公司之一桑迪亞公司聯(lián)合管理的多計劃實驗室，主要從事核武器系統(tǒng)中非核部分、材料、組件及儀器技術(shù)的研究開發(fā)，并承擔(dān)能源開發(fā)與改進(jìn)方面的工作。在項目中主要進(jìn)行技術(shù)探索和集成，解決當(dāng)前的進(jìn)程及系統(tǒng)限制。
據(jù)悉，執(zhí)行團(tuán)隊主要關(guān)注隧道掘進(jìn)方法、井下感測和操作概念，從而實現(xiàn) DARPA 期待的水平鉆井、非開挖鉆孔技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)三者合一的突破。
DARPA 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室「破壞者項目」項目經(jīng)理 Andrew Nuss 博士表示：
該項目的目標(biāo)是，在存在爭議的環(huán)境中開發(fā)并展示快速建立的地下基礎(chǔ)設(shè)施的戰(zhàn)術(shù)用途?？焖巽@出戰(zhàn)術(shù)隧道，有利于緊急軍事行動，比如可以實現(xiàn)快速彈藥補(bǔ)給、救援任務(wù)或其他緊急需求。
面對這些期待，通用公司于當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 5 月 20 日公布了其研發(fā)的新型隧道挖掘機(jī)器人。
據(jù)通用電氣的說法，這款機(jī)器人由公司中央技術(shù)開發(fā)部門 GE Research 的一個跨學(xué)科團(tuán)隊研發(fā)，還自稱該團(tuán)隊“挖掘技術(shù)強(qiáng)到土撥鼠都嫉妒”。
據(jù)了解，通用電氣獲得了 250 萬美金研發(fā)資金，項目為期 15 個月。
實際上，打造這款機(jī)器人的靈感最初來源于 GE Research 項目負(fù)責(zé)人、力學(xué)與設(shè)計小組機(jī)械工程師 Deepak Trivedi 博士在他碩士和博士階段的機(jī)械工程項目研究。
2010 年，Deepak Trivedi 在獲得賓州州立大學(xué)機(jī)械工程和計算科學(xué)博士學(xué)位后加入 GE Research，他的研究方向為設(shè)計具有受生物（章魚、象鼻等）啟發(fā)的軟體機(jī)器人。
因此一開始 GE Research 的思路就是開發(fā)一種仿生物的機(jī)器人，這種機(jī)器人能夠靈活地做出急轉(zhuǎn)彎、在狹窄的空間中穿梭、靈活地拾取或移動大小、形狀迥異的物體。
大家都知道，蚯蚓身體相當(dāng)靈活，具有很強(qiáng)的挖掘和快速移動的能力。Deepak Trivedi 表示：
蚯蚓可能是地球上最高產(chǎn)的隧道制造者。
而自然界中還有一種奇特的存在——樹根。
通過組織生長產(chǎn)生的巨大力量，樹根可以穿透密度極高的土壤和軟巖石。
GE Research 的做法是將二者相結(jié)合——他們設(shè)計了一個幾英尺長的機(jī)器人原型，其液壓人工肌肉可以模仿蚯蚓在土壤中移動的敏捷性，同時也擁有著樹根穿透軟巖石的力量。
實際上，目前軟體機(jī)器人按結(jié)構(gòu)類型主要可分為三類：靜水骨骼型、肌肉型靜水骨骼型及其他結(jié)構(gòu)。
包括蚯蚓在內(nèi)的大部分軟體動物并沒有剛性骨骼，主要由表皮、肌肉、體液、神經(jīng)系統(tǒng)組成。這種動物的典型結(jié)構(gòu)是肌肉構(gòu)成封閉腔，內(nèi)部充滿體液，也就形成了一種所謂的「靜水骨骼結(jié)構(gòu)」（hydrostatic skeleton）。
據(jù)了解，蚯蚓在移動過程中，其靜水骨骼結(jié)構(gòu)的一些部分會有所膨脹，進(jìn)行橫向擴(kuò)張，同時其它部分會伸長，保證移動并進(jìn)一步向土壤中穿透。
要實現(xiàn)上述特性，強(qiáng)大的人工肌肉可以做到。
此外，這種結(jié)構(gòu)有一個優(yōu)點——機(jī)器人的表面不需要任何其他材料就能建造隧道，效率較高且具有隱蔽性。
不過，設(shè)計機(jī)器人哪有這么簡單。
團(tuán)隊面臨的另一個問題是，如何使其在不借助 GPS 的情況下自主、有意識地繞過障礙物，到達(dá)目標(biāo)位置。正如 Deepak Trivedi 所說：
因為隧道系統(tǒng)都是在地下，我們需要建立機(jī)器人的自主和傳感能力，保證它們能夠在正確的地方移動、建隧道。幸運(yùn)的是，團(tuán)隊的控制、人工智能和傳感專家?guī)臀覀儗崿F(xiàn)了這一功能。
在實驗室里，GE Research 演示了機(jī)器人原型穿越土壤的過程。目前看來，機(jī)器人能以 10 厘米/秒的速度移動，一次能挖掘一條長 500 米、直徑至少 10 厘米的隧道。
但正如前文所述，這一項目將會持續(xù) 15 個月，目前這種軟體機(jī)器人也還是處于實驗室階段，究竟三個執(zhí)行團(tuán)隊最終會向 DARPA 拿出怎樣的方案，目前還是未知數(shù)。
Last but not least，DARPA 到底是何方神圣？
打開 DARPA 官網(wǎng)，一串霸氣的英文首先映入眼簾：
For sixty years, DARPA has held to a singular and enduring mission: to make pivotal investments in breakthrough technologies for national security.（60 年來，DARPA 一直肩負(fù)著一項獨特的使命：對保障國家安全的突破性技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵性支持。）
這就很簡單直接了。
談到 DARPA，還得從上世紀(jì) 50 年代講起。
1957 年 10 月 4 日，是一個令全美乃至世界震驚的日子。那一天，蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一顆人造衛(wèi)星 Sputnik 1，在太空領(lǐng)域給美國沉重一擊。
【當(dāng)時的《紐約時報》對此進(jìn)行了大篇幅報道】
被蘇聯(lián)的航天科技碾壓后，美國人痛定思痛，舉國掀起了“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”的風(fēng)潮。
四個月后的 1958 年 2 月，時任美國總統(tǒng)的德懷特·戴維·艾森豪威爾（Dwight David Eisenhower）下令在弗吉尼亞州阿靈頓縣成立了 DARPA。DARPA 獨立于其他常規(guī)的軍事研發(fā)機(jī)構(gòu)，直接向國防部高層負(fù)責(zé)。
而 DARPA 的目標(biāo)也相當(dāng)明確——防止他國科技領(lǐng)先美國，同時在技術(shù)上超過他國。
雷鋒網(wǎng)了解到，DARPA 并不僅僅把目光放在軍方的現(xiàn)實需求上，感知軍方的潛在需求，探索國防科技的未來，也是核心目標(biāo)。
不僅是軍事領(lǐng)域，包括互聯(lián)網(wǎng)、半導(dǎo)體、個人計算機(jī)操作系統(tǒng)尤尼克斯 UNIX、激光器、全球定位系統(tǒng) GPS、自動語音識別、自動語言翻譯、自動駕駛、智能（類腦）計算、機(jī)器人技術(shù)、基因工程等在內(nèi)的眾多領(lǐng)域都與 DARPA 資助的項目密切相關(guān)。
值得一提的是，DARPA 是個小而精的機(jī)構(gòu)——目前由 6 個技術(shù)辦公室（國防科學(xué)、戰(zhàn)略技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、信息創(chuàng)新、生物技術(shù)）的約 220 名成員組成，大多是各領(lǐng)域一流的專家學(xué)者，其中有近 100 名項目負(fù)責(zé)人，共同監(jiān)督著大約 250 個研發(fā)項目。
而漫威漫畫里擁有超強(qiáng)科技實力的神盾局的現(xiàn)實原型，正是 DARPA。
引用來源：
[1]https://www.badger-robotics.eu/
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/aaYaHnGm3siDvjTAZqmExg
[4]https://www.darpa.mil/news-events/2020-04-01
[5]https://www.digitaltrends.com/news/ge-robot-worm/
[6]https://new.qq.com/omn/20180218/20180218G0OOD4.html
雷鋒網(wǎng)
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