专为“神盾局”打造的软体机器人:通用电气出品 能挖隧道可军用

2020年05月29日 19:40 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

2017 年,欧盟斥巨资打造了一款能一边自动钻到地下挖洞、一边 3D 打印砌墙的机器人 BADGER,传统的隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)被甩出几条街。近日,美国通用电气公司(General Electric Company,GE)更是受到蚯蚓和树根的启发,为现实版“神盾局”——美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)研发了一款用于军事行动的快速隧道挖掘机器人。

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专为“神盾局”打造的软体机器人:通用电气出品,能挖隧道,可军用

“破坏者”强强联手

这款机器人的研发,源自 DARPA 的一个“破坏者项目”(Underminer program)。

这一项目旨在证明快速建设战术隧道网络的可行性,希望通过建设安全的后勤基础设施,在部队通过某一地区时预先部署补给或补充补给。

为此,DARPA 选定了三个团队强强联手,开发超过当前商业钻探能力的地下隧道挖掘技术和解决方案:

  • 通用电气公司:1892 年由发明大王爱迪生创立,是世界最大的提供技术和服务业务的跨国公司,在项目中专注于开发针对地下采矿技术和操作需求的综合解决方案。

  • 科罗拉多矿业学院:素以工程与采矿专业闻名,拥有一座矿物学博物馆,是世界上资源开发、开采及利用方面研究实力最强的机构之一。和通用电气一样,在该项目中专注于开发针对地下采矿技术和操作需求的综合解决方案。

  • 桑迪亚国家实验室:是美国能源部与美国电话电报公司子公司之一桑迪亚公司联合管理的多计划实验室,主要从事核武器系统中非核部分、材料、组件及仪器技术的研究开发,并承担能源开发与改进方面的工作。在项目中主要进行技术探索和集成,解决当前的进程及系统限制。

据悉,执行团队主要关注隧道掘进方法、井下感测和操作概念,从而实现 DARPA 期待的水平钻井、非开挖钻孔技术和机器人技术三者合一的突破。

DARPA 战术技术办公室“破坏者项目”项目经理 Andrew Nuss 博士表示:

该项目的目标是,在存在争议的环境中开发并展示快速建立的地下基础设施的战术用途。快速钻出战术隧道,有利于紧急军事行动,比如可以实现快速弹药补给、救援任务或其他紧急需求。

挖掘能力通用强,土拨鼠看了都嫉妒

面对这些期待,通用公司于当地时间 2020 年 5 月 20 日公布了其研发的新型隧道挖掘机器人。

据通用电气的说法,这款机器人由公司中央技术开发部门 GE Research 的一个跨学科团队研发,还自称该团队“挖掘技术强到土拨鼠都嫉妒”。

据了解,通用电气获得了 250 万美金研发资金,项目为期 15 个月。

实际上,打造这款机器人的灵感最初来源于 GE Research 项目负责人、力学与设计小组机械工程师 Deepak Trivedi 博士在他硕士和博士阶段的机械工程项目研究。

2010 年,Deepak Trivedi 在获得宾州州立大学机械工程和计算科学博士学位后加入 GE Research,他的研究方向为设计具有受生物(章鱼、象鼻等)启发的软体机器人。

专为“神盾局”打造的软体机器人:通用电气出品,能挖隧道,可军用

因此一开始 GE Research 的思路就是开发一种仿生物的机器人,这种机器人能够灵活地做出急转弯、在狭窄的空间中穿梭、灵活地拾取或移动大小、形状迥异的物体。

大家都知道,蚯蚓身体相当灵活,具有很强的挖掘和快速移动的能力。Deepak Trivedi 表示:

蚯蚓可能是地球上最高产的隧道制造者。

而自然界中还有一种奇特的存在——树根。

通过组织生长产生的巨大力量,树根可以穿透密度极高的土壤和软岩石。

GE Research 的做法是将二者相结合——他们设计了一个几英尺长的机器人原型,其液压人工肌肉可以模仿蚯蚓在土壤中移动的敏捷性,同时也拥有着树根穿透软岩石的力量。

实际上,目前软体机器人按结构类型主要可分为三类:静水骨骼型、肌肉型静水骨骼型及其他结构。

包括蚯蚓在内的大部分软体动物并没有刚性骨骼,主要由表皮、肌肉、体液、神经系统组成。这种动物的典型结构是肌肉构成封闭腔,内部充满体液,也就形成了一种所谓的“静水骨骼结构”(hydrostatic skeleton)。

据了解,蚯蚓在移动过程中,其静水骨骼结构的一些部分会有所膨胀,进行横向扩张,同时其它部分会伸长,保证移动并进一步向土壤中穿透。

要实现上述特性,强大的人工肌肉可以做到。

此外,这种结构有一个优点——机器人的表面不需要任何其他材料就能建造隧道,效率较高且具有隐蔽性。

不过,设计机器人哪有这么简单。

团队面临的另一个问题是,如何使其在不借助 GPS 的情况下自主、有意识地绕过障碍物,到达目标位置。正如 Deepak Trivedi 所说:

因为隧道系统都是在地下,我们需要建立机器人的自主和传感能力,保证它们能够在正确的地方移动、建隧道。幸运的是,团队的控制、人工智能和传感专家帮我们实现了这一功能。

在实验室里,GE Research 演示了机器人原型穿越土壤的过程。目前看来,机器人能以 10 厘米/秒的速度移动,一次能挖掘一条长 500 米、直径至少 10 厘米的隧道。

但正如前文所述,这一项目将会持续 15 个月,目前这种软体机器人也还是处于实验室阶段,究竟三个执行团队最终会向 DARPA 拿出怎样的方案,目前还是未知数。

DARPA:“神盾局”现实原型

Last but not least,DARPA 到底是何方神圣?

打开 DARPA 官网,一串霸气的英文首先映入眼帘:

For sixty years, DARPA has held to a singular and enduring mission: to make pivotal investments in breakthrough technologies for national security.(60 年来,DARPA 一直肩负着一项独特的使命:对保障国家安全的突破性技术进行关键性支持。)

这就很简单直接了。

谈到 DARPA,还得从上世纪 50 年代讲起。

1957 年 10 月 4 日,是一个令全美乃至世界震惊的日子。那一天,苏联发射了人类历史上第一颗人造卫星 Sputnik 1,在太空领域给美国沉重一击。

【当时的《纽约时报》对此进行了大篇幅报道】

被苏联的航天科技碾压后,美国人痛定思痛,举国掀起了“学好数理化,走遍天下都不怕”的风潮。

四个月后的 1958 年 2 月,时任美国总统的德怀特·戴维·艾森豪威尔(Dwight David Eisenhower)下令在弗吉尼亚州阿灵顿县成立了 DARPA。DARPA 独立于其他常规的军事研发机构,直接向国防部高层负责。

而 DARPA 的目标也相当明确——防止他国科技领先美国,同时在技术上超过他国。

DARPA 并不仅仅把目光放在军方的现实需求上,感知军方的潜在需求,探索国防科技的未来,也是核心目标。

不仅是军事领域,包括互联网、半导体、个人计算机操作系统尤尼克斯 UNIX、激光器、全球定位系统 GPS、自动语音识别、自动语言翻译、自动驾驶、智能(类脑)计算、机器人技术、基因工程等在内的众多领域都与 DARPA 资助的项目密切相关。

值得一提的是,DARPA 是个小而精的机构——目前由 6 个技术办公室(国防科学、战略技术、战术技术、微系统技术、信息创新、生物技术)的约 220 名成员组成,大多是各领域一流的专家学者,其中有近 100 名项目负责人,共同监督着大约 250 个研发项目。

而漫威漫画里拥有超强科技实力的神盾局的现实原型,正是 DARPA。

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