本文最初发表于 Knowable Magazine.
今年 4 月，曼哈顿一座停车场发生坍塌时，救援人员因担心进一步危险而不愿进入受损建筑。因此，他们采用了无人机和类犬行走机器人相结合的方式来检查损坏情况、搜寻幸存者并确保现场对人类救援人员来说是安全的。
尽管这只机器狗在爬过一堆瓦砾时 摔倒 侧翻，这一幕成为了互联网上的热门话题，纽约市长埃里克·亚当斯仍称赞机器人是成功的，他说它们确保了没有幸存者被遗漏，同时帮助保护了人类救援人员的安全。
很快，救援人员或许就能获得更先进的机器人搜救响应。研究人员正在开发能够协同工作、探索单个机器人无法导航的区域的飞行、行走和滚动机器人团队。他们正在赋予机器人相互通信的能力，并使它们能够独立于人类操控者做出许多自己的决定。
这类机器人团队在其他 具有挑战性的环境中 也可能很有用，例如洞穴或矿井，这些地方救援人员很难找到和接触到幸存者。在城市中，倒塌的建筑物和地铁或公用隧道等地下场所经常存在危险区域，人类救援人员无法确定其中的危险。
在这些地方操作对机器人来说一直很困难。“有泥土、岩石、瓦砾、狭窄的通道、开阔的大空间……这些环境的范围和复杂性给机器人带来了很多移动挑战，”机器人专家、美国国防高级研究计划局（DARPA）的技术顾问 Viktor Orekhov 说，DARPA 一直在资助该领域的研发。
地下空间也很黑暗，如果近期发生灾难，可能还会充满灰尘或烟雾。更糟糕的是，岩石和瓦砾会阻挡无线电信号，因此机器人越深入，就越容易与人类操控者失去联系。
尽管存在这些困难，但 Orekhov 表示，机器人技术取得了进展。他曾共同撰写了 2023 年《控制、机器人与自主系统年鉴》中关于他们努力的概述。
一个有前景的策略是混合使用不同类型的机器人，结合履带、轮子、旋翼和腿部等移动方式，以适应不同的空间。每种类型的机器人都有其独特的优势和劣势。轮式或履带式机器人可以携带重载荷，并且拥有大电池，可以长时间运行。行走机器人可以爬楼梯或小心翼翼地跨越松散的瓦砾。而飞行机器人则擅长快速绘制大范围的空间地图。
还有一些机器人会携带其他机器人。飞行机器人通常电池续航时间较短，因此救援人员可以调用“育儿袋式”机器人——载有 飞行机器人 的轮式、履带式或腿式机器人，将它们深入探索区域，并在需要绘制地图的大空间出现时释放它们。
图片来源：机器人系统实验室：苏黎世联邦理工学院的腿式机器人
机器人团队还可以使用不同的仪器。一些机器人可能携带照明灯，另一些则携带雷达、声纳或热成像仪。这种多样性允许不同的机器人在各种光照或灰尘条件下进行观察。所有机器人协同工作，为部署它们的人类提供他们正在工作的空间不断扩展的地图。
尽管机器人团队在整体移动性方面表现出色，但它们也带来了一个新问题。人类操控者可能难以 协调 这样的团队，尤其是在地下环境中，厚墙会阻挡无线电信号。
一种解决方案是确保机器人能够相互通信。这样，一个深入但与地面失去无线电联系的机器人就可以通过仍然保持联系的其他机器人中继信息。机器人还可以通过在移动过程中放下便携式无线电中继器（有时称为“面包屑”）来扩展通信范围，从而更容易与操控者和其他机器人保持联系。
然而，即使保持了通信，同时操作多个机器人所带来的需求也可能压垮一个人。为了解决这个问题，研究人员正在努力赋予机器人自主协作的能力。
2017 年，DARPA 资助了一项 为期多年挑战赛，旨在开发用于地下部署机器人的技术。参与者（包括大学和科技公司的工程师）必须尽可能快速有效地绘制和搜索复杂的地下空间。
图片来源：DARPA
Orekhov 表示，在此任务中表现最好的团队是那些赋予机器人一定自主性的团队。当机器人与彼此和人类操作员失去联系时，它们可以自行探索一段时间，然后返回到无线电范围内并沟通它们发现的情况。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的一个团队 更进一步，其机器人被设计为能够协同决策，CSIRO 机器人专家、该项目负责人 Navinda Kottege 说。机器人自己决定要执行的任务——是绘制这个房间的地图，探索那个走廊，还是在特定位置放下通信节点。
机器人还决定如何最有效地分配工作。如果一个滚动机器人发现一条太窄无法进入的走廊，一个较小的行走机器人就可以接管这项工作。如果一个机器人需要将信息上传到基站，它可能会将其传输给一个离入口更近的机器人，并请该机器人走回通信范围内。
Kottege 说：“出现了一些非常有趣的涌现行为。你可以看到机器人根据其中一些因素在它们之间交换任务。”
事实上，人类操作者可能会成为薄弱环节。在一项尝试中，一个 CSIRO 机器人不愿意进入一条走廊，尽管其背后有一个未探索的区域。人类操作员接管并操纵机器人通过——但事实证明，走廊的坡度太陡，机器人无法应付。机器人知道这一点，但人类不知道。
Kottege 说：“所以它翻了个后空翻，结果压坏了背上的无人机。”
为了解决这个问题，该团队构建了一个控制系统，让操作员决定整体策略，例如哪些区域需要优先处理，然后信任机器人根据现场情况做出执行决定。Kottege 说：“人类支持可以标记地图上的一个区域，并说‘这是高优先级区域，你需要去那个区域看看’。这与他们拿起操纵杆尝试控制机器人截然不同。”
挪威科技大学的机器人专家 Kostas Alexis 表示，这种自主团队概念在机器人领域开创了新天地。他的团队最终赢得了挑战赛。“你可以在完全自主的情况下做到这一点，只有一个人类控制着机器人团队，只是偶尔提供一些高级命令……这在此之前从未实现过。”
图片来源：KOSTAS ALEXIS
Orekhov 指出，仍然存在需要克服的问题。例如，在比赛期间，许多机器人发生故障或卡住，需要在比赛结束后将其移出赛道。仅一小时后，大多数团队只剩下了一到两个功能正常的机器人。
但随着机器人技术的进步，它们团队有一天或许能够进入危险的灾难现场，定位幸存者，并以最少的监督向人类操作员报告。
Orekhov 说：“当然还有很多工作可以而且需要去做。但同时，我们看到了团队能力的飞速发展，即使以它们目前的能力，也能在现实环境中发挥重要作用。”
10.1146/knowable-072023-2
Kurt Kleiner 是一位居住在多伦多的自由撰稿人。
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
