田野考古機(jī)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(lián)合印發(fā)的《國家“十三五”文化遺產(chǎn)保護(hù)與公共文化服務(wù)科技創(chuàng)新規(guī)劃》中提到“考古預(yù)探測智能機(jī)器人”等核心關(guān)鍵技術(shù)。2020年十三五國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“重大自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與防范”中的重點(diǎn)專項（文化遺產(chǎn)保護(hù)和利用專題任務(wù)）“文物出土現(xiàn)場應(yīng)急保護(hù)技術(shù)體系研究”中也提出了研究新一代“考古預(yù)探測智能機(jī)器人”?？脊排c機(jī)器人，兩個看似并不相交的詞語，隨著科技的進(jìn)步被有機(jī)結(jié)合起來了?？脊艑W(xué)家需要機(jī)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(qū)域，機(jī)器人學(xué)家也需要考古，利用這復(fù)雜未知的工作環(huán)境去檢驗機(jī)器人的魯棒性（robustness）和穩(wěn)定性。目前機(jī)器人在遙感考古和水下考古中得到較為廣泛的應(yīng)用，在考古遺址的探查測繪、文化遺產(chǎn)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(wù)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(nèi)機(jī)器人在田野考古中的應(yīng)用，分析其種類和特點(diǎn)，為后續(xù)的研究與使用提供借鑒。

考古機(jī)器人的“前世”

在2015年以前，考古機(jī)器人的發(fā)展處于起步階段，此階段考古機(jī)器人最主要的特點(diǎn)是采用傳統(tǒng)的移動結(jié)構(gòu)，如輪式或履帶式，此種結(jié)構(gòu)雖然具有較高的穩(wěn)定性，但卻有著重量大、摩擦阻力大等缺點(diǎn)。最初考古機(jī)器人多為遠(yuǎn)程遙控，后期隨著同步定位與地圖創(chuàng)建（SLAM）等技術(shù)的發(fā)展，半自主或全自主考古機(jī)器人出現(xiàn)。總體上來說，這一時期考古機(jī)器人能夠適應(yīng)的考古環(huán)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(jī)器人所能發(fā)揮的空間有限；其次考古學(xué)家也擔(dān)心剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)對遺址中脆弱文物造成不可逆的傷害，對考古機(jī)器人有著抵觸情緒。

1991年，德國考古研究所利用機(jī)器人對胡夫金字塔進(jìn)行了首次探索。德國機(jī)器人專家Rudolf Gantenbrink前后設(shè)計了“UNNAMED”“UPUAUT-1” “UPUAUT-2”三款機(jī)器人，對位于胡夫金字塔皇后墓室的狹小甬道進(jìn)行探查。其中履帶機(jī)器人UPUAUT-2為典型代表。該機(jī)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(nèi)可調(diào)。攜帶了各種當(dāng)時最精密的設(shè)備，如索尼微型攝像機(jī)能在無光條件下進(jìn)行圖像傳輸，前置激光測距儀。但當(dāng)時無線通信技術(shù)并不發(fā)達(dá)，機(jī)器人由電纜傳輸信號，為了能使機(jī)器人走得更遠(yuǎn)，專門設(shè)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(jī)器人對胡夫金字塔進(jìn)行了數(shù)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(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(jī)器人在田野考古中的應(yīng)用先例，還促進(jìn)了后續(xù)一系列對金字塔的探索?；谶@些探查數(shù)據(jù)Rudolf Gantenbrink給出了金字塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計算機(jī)模型，對金字塔構(gòu)建思路進(jìn)行了大膽的猜想，并提出了接下來的重點(diǎn)探測區(qū)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(chǎn)的金字塔漫游者在UPUAUT系列機(jī)器人工作的基礎(chǔ)上繼續(xù)對胡夫金字塔進(jìn)行探查。相比于UPUAUT機(jī)器人，金字塔漫游者攜帶設(shè)備更多，功能更加強(qiáng)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(dá)系統(tǒng)，以及力度測量儀、高分辨率精密光纖鏡頭、導(dǎo)電傳感器等。該機(jī)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(jī)械臂將攝像機(jī)送到洞后，觀察到了另一塊石頭，被稱為第二阻擋石。機(jī)器人還探查了北甬道，發(fā)現(xiàn)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(xué)教授Peter K Allen與他的團(tuán)隊開發(fā)了一種能夠在城市環(huán)境中自主導(dǎo)航、自動三維建模的機(jī)器人AVENUE。該機(jī)器人以IROBOT公司生產(chǎn)的ATRV-2全地形車為基礎(chǔ)，搭載導(dǎo)航和圖像采集的系統(tǒng)、三維掃描儀等?？梢宰灾鲗?dǎo)航、自主選擇三維掃描角度，實現(xiàn)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(jī)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(wèi)城遺址進(jìn)行了三維掃描。在2004年該機(jī)器人還系統(tǒng)記錄位于埃及Amheida遺址考古發(fā)掘過程，通過三維掃描實時記錄考古發(fā)掘的全流程，基于這些數(shù)據(jù)，考古學(xué)家建立了一個網(wǎng)上展示平臺，讓更多無法親身參與到發(fā)掘中的考古學(xué)家和感興趣的公眾了解發(fā)掘全過程，并可以根據(jù)自己的理解對出土物進(jìn)行解釋判斷。

2002年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開發(fā)了一款名為Groundhog的輪式機(jī)器人，它更大更重更穩(wěn)定，有效荷載更是達(dá)到驚人的500千克，采用鉛酸蓄電池供電，一次充電可運(yùn)動3千米。它的設(shè)計是為了探索那些廢棄的工業(yè)遺產(chǎn)，諸如礦井礦山等，特殊的地形要求機(jī)器人擁有良好的越障能力。該機(jī)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(fēng)巷道的二維地圖，車載電氣設(shè)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(jī)器人對20世紀(jì)20年代廢棄佛羅倫薩礦場、21世紀(jì)初廢棄的馬西斯運(yùn)煤路線進(jìn)行了探測，實驗證明該機(jī)器人擁有良好的越障能力，能適應(yīng)大多數(shù)井下地形，得到的三維掃描數(shù)據(jù)效果優(yōu)于人工掃描效果，但該機(jī)器人的通信模塊尚不夠穩(wěn)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(jī)器人誕生，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)與國家博物館合作的考古現(xiàn)場智能預(yù)探測機(jī)器人。該機(jī)器人主要面向古墓葬環(huán)境，能夠在考古工作人員尚未進(jìn)入墓葬發(fā)掘現(xiàn)場的情況下預(yù)先探測墓葬環(huán)境。設(shè)計者著重考慮了機(jī)器人進(jìn)入古墓葬的方式和路徑，基于我國考古發(fā)掘特點(diǎn)，制定了由上而下從探洞或盜洞進(jìn)入墓室，以及水平方向由墓道進(jìn)入墓室兩種不同的進(jìn)入方式，分別設(shè)計了直筒式機(jī)器人和車載式機(jī)器人。機(jī)器人裝有紅外攝像機(jī)和紅外燈照明系統(tǒng)，以及溫濕度、氧氣、硫化氫、二氧化碳和甲烷濃度傳感器，實現(xiàn)了發(fā)掘現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)實時采集，圖像實時傳輸?？脊虐l(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)利用設(shè)計的機(jī)器人對陜西章懷太子墓、延煉發(fā)掘現(xiàn)場一座未發(fā)掘古墓和龐留發(fā)掘現(xiàn)場一座被盜古墓三處考古遺址進(jìn)行了探查，在探查中，該系統(tǒng)能夠較穩(wěn)定實現(xiàn)兩種進(jìn)入墓室的形式，并采集到了內(nèi)部壁畫的圖像以及溫濕度和特征氣體數(shù)據(jù)，為后續(xù)考古現(xiàn)場文物保護(hù)提供了重要依據(jù)。（王玨瑤等：《考古發(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用》）

2012年意大利佩魯賈大學(xué)設(shè)計了一款考古機(jī)器人，旨在對意大利史前人類居住洞穴Deer Cave進(jìn)行精確測繪。該機(jī)器人基于IROBOT公司生產(chǎn)的ATRV-2全地形機(jī)器車，搭載位置傳感器、全球定位系統(tǒng)、機(jī)載磁羅盤、400 MHz掃描探地雷達(dá)。該機(jī)器人可以自主糾正路線，利用探地雷達(dá)探測洞穴地下結(jié)構(gòu)、延伸方向，實現(xiàn)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(nèi)壁畫進(jìn)行三維掃描，為該遺址規(guī)劃控制保護(hù)帶提供了重要依據(jù)。

2015年尤利烏斯馬克西米利安大學(xué)維爾茨堡分校Dorit Borrmann等人為了提高工作效率，減少現(xiàn)場工作時間，設(shè)計了一款名為Irma3D的機(jī)器人，工作人員可以遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人對文化遺產(chǎn)進(jìn)行三維掃描。該機(jī)器人以Volksbot公司生產(chǎn)的RT 3三輪底盤為基礎(chǔ)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(xiàn)自動避障。該機(jī)器人還采用了一種新的高精度姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)iSpace對三維掃描儀姿態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)，得到更貼近真實的模型。Irma3D機(jī)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(chǎn)的三維數(shù)據(jù)。

2015年由歐盟資助的ROVINA項目達(dá)到了基于傳統(tǒng)移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計巔峰，該項目旨在利用自主機(jī)器人更安全、高效地對室內(nèi)外的遺址進(jìn)行調(diào)查探索。V. A. Ziparo、F. Cottefoglie設(shè)計了一款履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人系統(tǒng)可以自主或半自主地進(jìn)行實時定位與地圖構(gòu)建。設(shè)計者在基于g2o的SLAM后端優(yōu)化算法DCS進(jìn)行擴(kuò)展，搭建了一個新型的三維重建系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對文化遺產(chǎn)的特性，將機(jī)器人的穩(wěn)定性、安全性提上重點(diǎn)，強(qiáng)化了地圖構(gòu)建過程中的連續(xù)性，并加入自動校準(zhǔn)功能。此外，該機(jī)器人可以利用Kinect事先預(yù)判前方地形的可通過性。該機(jī)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(jìn)行了自主三維重建工作，實踐證明該機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化、照度變化較大的墓室環(huán)境中應(yīng)用良好，得到的效果圖對考古學(xué)上進(jìn)一步的語義闡釋提供了重要參考依據(jù)。

機(jī)器人的“今生”

近幾年機(jī)器人技術(shù)突飛猛進(jìn)，交叉學(xué)科融合的趨勢愈演愈烈，仿生學(xué)、人工智能、智能材料等方面新興技術(shù)的出現(xiàn)給考古機(jī)器人帶來了更多發(fā)展空間。在這一階段，考古機(jī)器人最大的特點(diǎn)是采用仿生式移動系統(tǒng)，如仿尺蠖、蛇、藤蔓等，相較于傳統(tǒng)的移動機(jī)構(gòu)具有更強(qiáng)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(shè)計者開始有意識地將文物保護(hù)的最小干預(yù)原則理念融入考古機(jī)器人設(shè)計中。

英國利茲大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院Robert Richardson等人設(shè)計了一款復(fù)合式機(jī)器人Djedi，在前兩次利用機(jī)器人對胡夫金字塔的探測工作基礎(chǔ)上，再次對皇后墓室的南北甬道進(jìn)行探查。設(shè)計者將尺蠖運(yùn)動方式與輪式運(yùn)動方式復(fù)合，確保機(jī)器人的攀爬穩(wěn)定性，又提高了機(jī)器人的運(yùn)動靈活性。該機(jī)器人主體材料由鋁材、碳纖維構(gòu)成，大大減輕了重量，車頭車尾裝備側(cè)推器，實現(xiàn)了甬道內(nèi)車體左右移動，以適應(yīng)通道內(nèi)地形的變化。采用了以板載電子器件作為低電平系統(tǒng)上的閉環(huán)反饋的控制策略；攜帶多種傳感器以探測環(huán)境溫度、外界空氣壓力；裝載小孔鉆頭與蛇臂攝像機(jī)，可以通過小于8毫米直徑的管道實現(xiàn)360°圖像采集；該機(jī)器人通過線纜通信。該機(jī)器人設(shè)計遵循了文物保護(hù)中的最小干預(yù)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(jī)器人對南甬道第一阻擋石與第二阻擋石之間進(jìn)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(jī)器人的設(shè)計過程中，機(jī)器人專家基于不同的移動系統(tǒng)設(shè)計了多款機(jī)器人，事先在模擬的甬道中進(jìn)行實驗比較，最后選擇穩(wěn)定性最高的設(shè)計，以確保在實際應(yīng)用中萬無一失，該做法說明了在脆弱且珍貴的考古工作環(huán)境中專門定制化工作的重要性，但同時這種專業(yè)定制化的機(jī)器人很難再應(yīng)用于其他考古遺址中。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Howie Chose教授設(shè)計了模塊化機(jī)器蛇“Uncle Tom”，其設(shè)計初衷是救災(zāi)救援，長94厘米，直徑5厘米。蛇形機(jī)器人頭部安裝有一個攝像頭和照明用的LED燈。該機(jī)器人采用螺旋步態(tài)實現(xiàn)向前爬行，能在崎嶇的廢墟上前行。該機(jī)器蛇還可安裝不同材質(zhì)的皮膚以適應(yīng)各種極端環(huán)境。（Wright C， Johnson A， Peck A， et al. Design of a Modular Snake Robot）受波士頓大學(xué)考古學(xué)教授Kathryn Bard邀請，該模塊化蛇形機(jī)器人對埃及Mersa/Wadi Gawasis遺址兩個容易塌方的洞穴進(jìn)行了探測。但這條蛇形機(jī)器人在洞穴內(nèi)的作業(yè)并不順利，進(jìn)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(xué)張培強(qiáng)、岳林對一款考古現(xiàn)場探測的可重構(gòu)蛇形機(jī)器人進(jìn)行了驅(qū)動機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計。其驅(qū)動方式采用張緊輪傳動，關(guān)節(jié)驅(qū)動采用差動輪系耦合驅(qū)動結(jié)構(gòu)。機(jī)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(jié)單元模塊為圖像采集模塊，第二節(jié)為溫度傳感器模塊，第三節(jié)為濕度傳感器模塊，末節(jié)為氣體采集模塊。當(dāng)機(jī)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(shè)計者通過Adams軟件對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，驗證機(jī)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)理的合理性，并驗證運(yùn)動規(guī)劃的正確性。實物并沒有在真實的考古環(huán)境中應(yīng)用，在模擬場景中經(jīng)過測定四節(jié)模塊，機(jī)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(gòu)蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動性能研究》；張培強(qiáng)：《可重構(gòu)蛇形機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動性能研究》）

斯坦福大學(xué)Allison M. Okamura教授設(shè)計了一款名為Vinebot的仿生物藤蔓機(jī)器人，其以“生長”形式來運(yùn)動，即通過機(jī)器人頂端外翻新材料向外延伸的方式前進(jìn)?？梢栽陧敹伺鋫鋽z像頭、LED燈以及各類所需傳感器。該機(jī)器人有如下特點(diǎn)：第一，擁有極強(qiáng)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(dá)到空間上任何一點(diǎn)，能進(jìn)入為其初始直徑四分之一的孔洞；第三，能在雜亂或難以導(dǎo)航的環(huán)境中操作和抓取對象。該機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)由高分子聚合物構(gòu)成，由氣壓驅(qū)動，能將在工作中對考古環(huán)境產(chǎn)生的干預(yù)降至最低，貼合文物保護(hù)中最小干預(yù)原則。2018年考古學(xué)家將其帶到秘魯Chavín de Huántar遺址，用來探查遺址內(nèi)入口狹小、內(nèi)部崎嶇的地下通道，Vinebot共探索了3個地下通道，分別前進(jìn)了5米、6米、3米，實現(xiàn)了通過碎石障礙、90°轉(zhuǎn)彎、垂直方向運(yùn)動，并拍攝了地下通道內(nèi)部環(huán)境視頻，為考古學(xué)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(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計難度很大，開發(fā)周期較長。

走向未來

從上述考古機(jī)器人的研究與應(yīng)用中我們能夠看到雖然僅有20多年的發(fā)展，許多研究還處于實驗階段，但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了許多重要且具有創(chuàng)新性的應(yīng)用。機(jī)器人填補(bǔ)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(dá)的空間成為可能，也保障了考古學(xué)家的安全?？脊殴ぷ鳝h(huán)境常常是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，文物也具有唯一性和不可再生性，在種種機(jī)器人移動結(jié)構(gòu)中，仿生式有著良好的應(yīng)用前景。隨著機(jī)器人技術(shù)日益成熟，新型田野考古機(jī)器人將不斷涌現(xiàn)。但是，目前的研究重點(diǎn)集中在將田野考古的需求與機(jī)器人設(shè)計相結(jié)合，深入研究智能材料、人工智能、機(jī)器人技術(shù)與田野考古之間的關(guān)系，使田野考古機(jī)器人更好地服務(wù)田野考古、幫助考古學(xué)家。

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