田野考古機器人的“前世今生”

談博偉 潛偉 鐵付德

2016年科技部、文化部、國家文物局聯合印發的《國家“十三五”文化遺產保護與公共文化服務科技創新規劃》中提到“考古預探測智能機器人”等核心關鍵技術。2020年十三五國家重點研發計劃“重大自然災害監測預警與防范”中的重點專項（文化遺產保護和利用專題任務）“文物出土現場應急保護技術體系研究”中也提出了研究新一代“考古預探測智能機器人”。考古與機器人，兩個看似并不相交的詞語，隨著科技的進步被有機結合起來了。考古學家需要機器人，作為他們本體的延伸去探索那些人力不可及的危險區域，機器人學家也需要考古，利用這復雜未知的工作環境去檢驗機器人的魯棒性（robustness）和穩定性。目前機器人在遙感考古和水下考古中得到較為廣泛的應用，在考古遺址的探查測繪、文化遺產的三維掃描、特征遺物的自動識別等方面大施拳腳。但在工作任務最大最集中的，以地面以及地下遺址為主要研究對象的田野考古中，各方研究較少，這里旨在梳理世界范圍內機器人在田野考古中的應用，分析其種類和特點，為后續的研究與使用提供借鑒。

考古機器人的“前世”

在2015年以前，考古機器人的發展處于起步階段，此階段考古機器人最主要的特點是采用傳統的移動結構，如輪式或履帶式，此種結構雖然具有較高的穩定性，但卻有著重量大、摩擦阻力大等缺點。最初考古機器人多為遠程遙控，后期隨著同步定位與地圖創建（SLAM）等技術的發展，半自主或全自主考古機器人出現。總體上來說，這一時期考古機器人能夠適應的考古環境少之又少，如古代墓葬這類常見的遺址，由于地下空間有限，底部時常會有積水或淤泥覆蓋，考古機器人所能發揮的空間有限；其次考古學家也擔心剛性的機械結構對遺址中脆弱文物造成不可逆的傷害，對考古機器人有著抵觸情緒。

1991年，德國考古研究所利用機器人對胡夫金字塔進行了首次探索。德國機器人專家Rudolf Gantenbrink前后設計了“UNNAMED”“UPUAUT-1” “UPUAUT-2”三款機器人，對位于胡夫金字塔皇后墓室的狹小甬道進行探查。其中履帶機器人UPUAUT-2為典型代表。該機器人全身由鋁材打造而成，小巧輕便，長370毫米，寬120毫米，高度在120—280毫米范圍內可調。攜帶了各種當時最精密的設備，如索尼微型攝像機能在無光條件下進行圖像傳輸，前置激光測距儀。但當時無線通信技術并不發達，機器人由電纜傳輸信號，為了能使機器人走得更遠，專門設計了電纜松弛裝置，減少電纜與地面摩擦帶來的阻力。在1991—1993年間，UPUAUT系列機器人對胡夫金字塔進行了數次探測，精確測量了女王房間南甬道的寬度、長度和坡度，并在盡頭發現第一阻擋石，以及石頭上的兩個類銅把手。但在探查北甬道時，卡在了距入口19米處一個朝西45°的轉角中。（Hawass Z， The secret door inside the Great Pyramid； Gantenbrink R， The Upuaut Project）此次探索不僅開啟了機器人在田野考古中的應用先例，還促進了后續一系列對金字塔的探索。基于這些探查數據Rudolf Gantenbrink給出了金字塔內部結構的計算機模型，對金字塔構建思路進行了大膽的猜想，并提出了接下來的重點探測區域。（Gantenbrink R， Ascertaining and Evaluating Relevant Structural Points Using the Cheops Pyramid as an Example）

2001年，美國IROBOT公司生產的金字塔漫游者在UPUAUT系列機器人工作的基礎上繼續對胡夫金字塔進行探查。相比于UPUAUT機器人，金字塔漫游者攜帶設備更多，功能更加強大，包括能夠測量厚度的超聲波傳感器、可以穿透混凝土的探測雷達系統，以及力度測量儀、高分辨率精密光纖鏡頭、導電傳感器等。該機器人成功穿越了整個南部甬道，并在第一阻擋石上鉆了一個洞，通過機械臂將攝像機送到洞后，觀察到了另一塊石頭，被稱為第二阻擋石。機器人還探查了北甬道，發現了一個外觀與南面甬道相似的阻擋石。此次探索由美國國家地理頻道向全球觀眾同步直播，引起了不小的“考古熱”。

同年在大洋的另一端，哥倫比亞大學教授Peter K Allen與他的團隊開發了一種能夠在城市環境中自主導航、自動三維建模的機器人AVENUE。該機器人以IROBOT公司生產的ATRV-2全地形車為基礎，搭載導航和圖像采集的系統、三維掃描儀等。可以自主導航、自主選擇三維掃描角度，實現了文物古跡三維建模全自動化流程，提高了建模精度，提高了建模效率。在2001—2007年間，該機器人對法國圣皮耶大教堂、紐約圣約翰大教堂和Monte Polizzo古希臘衛城遺址進行了三維掃描。在2004年該機器人還系統記錄位于埃及Amheida遺址考古發掘過程，通過三維掃描實時記錄考古發掘的全流程，基于這些數據，考古學家建立了一個網上展示平臺，讓更多無法親身參與到發掘中的考古學家和感興趣的公眾了解發掘全過程，并可以根據自己的理解對出土物進行解釋判斷。

2002年，卡內基梅隆大學開發了一款名為Groundhog的輪式機器人，它更大更重更穩定，有效荷載更是達到驚人的500千克，采用鉛酸蓄電池供電，一次充電可運動3千米。它的設計是為了探索那些廢棄的工業遺產，諸如礦井礦山等，特殊的地形要求機器人擁有良好的越障能力。該機器人配備兩個SICK LMS-200掃描激光測距儀，一個前后安裝，獲得行徑路線的二維地圖，一個向上安裝獲得豎井、通風巷道的二維地圖，車載電氣設備均做了防爆處理。（Thrun S， Whittaker W， Thayer S， et al. Autonomous Exploration and Mapping of Abandoned Mines）該機器人對20世紀20年代廢棄佛羅倫薩礦場、21世紀初廢棄的馬西斯運煤路線進行了探測，實驗證明該機器人擁有良好的越障能力，能適應大多數井下地形，得到的三維掃描數據效果優于人工掃描效果，但該機器人的通信模塊尚不夠穩定。（Baker C， Omohundro Z， Thayer S， et al. A Case Study in Robotic Mapping of Abandoned Mines）

2006年，我國第一個考古機器人誕生，由哈爾濱工業大學與國家博物館合作的考古現場智能預探測機器人。該機器人主要面向古墓葬環境，能夠在考古工作人員尚未進入墓葬發掘現場的情況下預先探測墓葬環境。設計者著重考慮了機器人進入古墓葬的方式和路徑，基于我國考古發掘特點，制定了由上而下從探洞或盜洞進入墓室，以及水平方向由墓道進入墓室兩種不同的進入方式，分別設計了直筒式機器人和車載式機器人。機器人裝有紅外攝像機和紅外燈照明系統，以及溫濕度、氧氣、硫化氫、二氧化碳和甲烷濃度傳感器，實現了發掘現場的環境參數實時采集，圖像實時傳輸。考古發掘現場智能預探測系統利用設計的機器人對陜西章懷太子墓、延煉發掘現場一座未發掘古墓和龐留發掘現場一座被盜古墓三處考古遺址進行了探查，在探查中，該系統能夠較穩定實現兩種進入墓室的形式，并采集到了內部壁畫的圖像以及溫濕度和特征氣體數據，為后續考古現場文物保護提供了重要依據。（王玨瑤等：《考古發掘現場智能預探測系統的設計與應用》）

2012年意大利佩魯賈大學設計了一款考古機器人，旨在對意大利史前人類居住洞穴Deer Cave進行精確測繪。該機器人基于IROBOT公司生產的ATRV-2全地形機器車，搭載位置傳感器、全球定位系統、機載磁羅盤、400 MHz掃描探地雷達。該機器人可以自主糾正路線，利用探地雷達探測洞穴地下結構、延伸方向，實現了對史前考古遺址Deer Cave洞穴自主探查，繪測整體大小及形制，并對洞穴內壁畫進行三維掃描，為該遺址規劃控制保護帶提供了重要依據。

2015年尤利烏斯馬克西米利安大學維爾茨堡分校Dorit Borrmann等人為了提高工作效率，減少現場工作時間，設計了一款名為Irma3D的機器人，工作人員可以遠程遙控機器人對文化遺產進行三維掃描。該機器人以Volksbot公司生產的RT 3三輪底盤為基礎搭建而成，重17千克，載重25千克，長580毫米，寬520毫米，高315毫米。在底盤上放置了三維激光掃描儀，可以實現自動避障。該機器人還采用了一種新的高精度姿態跟蹤系統iSpace對三維掃描儀姿態進行校準，得到更貼近真實的模型。Irma3D機器人采集了羅馬奧斯蒂亞古城遺址和德國伍爾茨堡皇宮兩處文化遺產的三維數據。

2015年由歐盟資助的ROVINA項目達到了基于傳統移動機構的設計巔峰，該項目旨在利用自主機器人更安全、高效地對室內外的遺址進行調查探索。V. A. Ziparo、F. Cottefoglie設計了一款履帶式機器人，該機器人系統可以自主或半自主地進行實時定位與地圖構建。設計者在基于g2o的SLAM后端優化算法DCS進行擴展，搭建了一個新型的三維重建系統，該系統針對文化遺產的特性，將機器人的穩定性、安全性提上重點，強化了地圖構建過程中的連續性，并加入自動校準功能。此外，該機器人可以利用Kinect事先預判前方地形的可通過性。該機器人對位于羅馬的Priscilla地下墓穴和位于那不勒斯的St. Gennaro地下墓穴進行了自主三維重建工作，實踐證明該機器人在非結構化、照度變化較大的墓室環境中應用良好，得到的效果圖對考古學上進一步的語義闡釋提供了重要參考依據。

機器人的“今生”

近幾年機器人技術突飛猛進，交叉學科融合的趨勢愈演愈烈，仿生學、人工智能、智能材料等方面新興技術的出現給考古機器人帶來了更多發展空間。在這一階段，考古機器人最大的特點是采用仿生式移動系統，如仿尺蠖、蛇、藤蔓等，相較于傳統的移動機構具有更強的越障能力，在控制方面也更加智能。最重要的是，在這一階段設計者開始有意識地將文物保護的最小干預原則理念融入考古機器人設計中。

英國利茲大學機械工程學院Robert Richardson等人設計了一款復合式機器人Djedi，在前兩次利用機器人對胡夫金字塔的探測工作基礎上，再次對皇后墓室的南北甬道進行探查。設計者將尺蠖運動方式與輪式運動方式復合，確保機器人的攀爬穩定性，又提高了機器人的運動靈活性。該機器人主體材料由鋁材、碳纖維構成，大大減輕了重量，車頭車尾裝備側推器，實現了甬道內車體左右移動，以適應通道內地形的變化。采用了以板載電子器件作為低電平系統上的閉環反饋的控制策略；攜帶多種傳感器以探測環境溫度、外界空氣壓力；裝載小孔鉆頭與蛇臂攝像機，可以通過小于8毫米直徑的管道實現360°圖像采集；該機器人通過線纜通信。該機器人設計遵循了文物保護中的最小干預原則，凡是與古代遺址有接觸的地方都采用柔軟材料，避免對古跡的損害。該機器人對南甬道第一阻擋石與第二阻擋石之間進行了全方位探索。（Richardson R， Whitehead S， Ng T C， et al. The “Djedi” Robot Exploration of the Southern Shaft of the Queens Chamber in the Great Pyramid of Giza， Egypt）在Djedi機器人的設計過程中，機器人專家基于不同的移動系統設計了多款機器人，事先在模擬的甬道中進行實驗比較，最后選擇穩定性最高的設計，以確保在實際應用中萬無一失，該做法說明了在脆弱且珍貴的考古工作環境中專門定制化工作的重要性，但同時這種專業定制化的機器人很難再應用于其他考古遺址中。

卡內基梅隆大學Howie Chose教授設計了模塊化機器蛇“Uncle Tom”，其設計初衷是救災救援，長94厘米，直徑5厘米。蛇形機器人頭部安裝有一個攝像頭和照明用的LED燈。該機器人采用螺旋步態實現向前爬行，能在崎嶇的廢墟上前行。該機器蛇還可安裝不同材質的皮膚以適應各種極端環境。（Wright C， Johnson A， Peck A， et al. Design of a Modular Snake Robot）受波士頓大學考古學教授Kathryn Bard邀請，該模塊化蛇形機器人對埃及Mersa/Wadi Gawasis遺址兩個容易塌方的洞穴進行了探測。但這條蛇形機器人在洞穴內的作業并不順利，進入洞穴不久，便遇見了無法通過的阻礙。（Bard K A， Fattovich R， Ward C. Mersa/Wadi Gawasis 2010—2011）

2015年東北大學張培強、岳林對一款考古現場探測的可重構蛇形機器人進行了驅動機構和關節機構的設計。其驅動方式采用張緊輪傳動，關節驅動采用差動輪系耦合驅動結構。機器人單元模塊的尺寸為198.5毫米x110毫米x 110毫米，可以組裝為三個、四個，甚至更多單元模塊。首節單元模塊為圖像采集模塊，第二節為溫度傳感器模塊，第三節為濕度傳感器模塊，末節為氣體采集模塊。當機器人需要翻越更大的障礙或是跨越更大的溝壑時可以外接接頭來增加單元模塊。設計者通過Adams軟件對機器人進行運動仿真分析，驗證機構和運動機理的合理性，并驗證運動規劃的正確性。實物并沒有在真實的考古環境中應用，在模擬場景中經過測定四節模塊，機器蛇最寬能跨越446毫米的溝壑，最高攀爬高度為383毫米，最大坡度為31°。（岳林：《可重構蛇形機器人關節機構設計及運動性能研究》；張培強：《可重構蛇形機器人驅動機構設計及運動性能研究》）

斯坦福大學Allison M. Okamura教授設計了一款名為Vinebot的仿生物藤蔓機器人，其以“生長”形式來運動，即通過機器人頂端外翻新材料向外延伸的方式前進。可以在頂端配備攝像頭、LED燈以及各類所需傳感器。該機器人有如下特點：第一，擁有極強的越障能力，能穿越崎嶇、粘滯和陡峭的地形；第二，具備空間可變形能力，理論上能達到空間上任何一點，能進入為其初始直徑四分之一的孔洞；第三，能在雜亂或難以導航的環境中操作和抓取對象。該機器人整體結構由高分子聚合物構成，由氣壓驅動，能將在工作中對考古環境產生的干預降至最低，貼合文物保護中最小干預原則。2018年考古學家將其帶到秘魯Chavín de Huántar遺址，用來探查遺址內入口狹小、內部崎嶇的地下通道，Vinebot共探索了3個地下通道，分別前進了5米、6米、3米，實現了通過碎石障礙、90°轉彎、垂直方向運動，并拍攝了地下通道內部環境視頻，為考古學家提供了寶貴資料。（Coad M M， Blumenschein L H， Cutler S， et al. Vine Robots： Design， Teleoperation， and Deployment for Navigation and Exploration）但該機器人控制系統的設計難度很大，開發周期較長。

走向未來

從上述考古機器人的研究與應用中我們能夠看到雖然僅有20多年的發展，許多研究還處于實驗階段，但科學家們發現了許多重要且具有創新性的應用。機器人填補了在田野考古中狹小危險地帶有效勘測的空白，不僅使得探查人力無法到達的空間成為可能，也保障了考古學家的安全。考古工作環境常常是非結構化環境，文物也具有唯一性和不可再生性，在種種機器人移動結構中，仿生式有著良好的應用前景。隨著機器人技術日益成熟，新型田野考古機器人將不斷涌現。但是，目前的研究重點集中在將田野考古的需求與機器人設計相結合，深入研究智能材料、人工智能、機器人技術與田野考古之間的關系，使田野考古機器人更好地服務田野考古、幫助考古學家。

（作者談博偉為北京科技大學科技史與文化遺產研究院碩士研究生；潛偉為北京科技大學科技史與文化遺產研究院教授 ；鐵付德為中國國家博物館研究員）