熱播美劇《切爾諾貝利》---核應急機器人探祕

截止目前為止史上兩次嚴重的核洩露事故大家都知道，2011年的日本福島核電站洩漏和1986年的蘇聯切爾諾貝利核洩露事故，兩次事故對人類的傷害將是永久性的。

美劇《切爾諾貝利》主演介紹採訪

近期由英美合拍的劇集《切爾諾貝利》---英國Sky與美國HBO聯合制作。看名字大家應該都知道這部美劇講述的是什麼故事了：以1986年切爾諾貝利核電站事故為背景，揭開上個世紀最嚴重的人為災難事件發生始末，敘述一群勇敢的英雄們前往核電站事發現場，拯救歐洲免於陷入浩劫的動人故事。

高分美劇切爾諾貝利

劇照，防核人員對核洩露進行洗消工作

劇照-深入骨髓的核輻射

以上當然不是我們的重點，重點探討機器人在核洩漏危機中的應用。

大家知道核材料簡直是魔鬼般的存在，但又給人類帶來了相對的和平與用之不竭的能源。

陶瓷鈾燃料塊

一個做好的核燃料棒

放射性物質以波或微粒形式發射出的一種能量就叫核輻射，核爆炸和核事故都會產生核輻射。

核輻射主要是α、β、γ三種射線：

α射線是氦核，外照射穿透能力很弱，只要用一張紙就能擋住，但吸入體內危害大；

β射線是電子流，照射皮膚後燒傷明顯。這兩種射線由於穿透力小，影響距離比較近只要輻射源不進入體內，影響不會太大；

γ射線的穿透力很強，是一種波長很短的電磁波。γ輻射和X射線相似，能穿透人體和建築物，危害距離遠。宇宙、自然界能產生放射性的物質不少但危害都不太大，只有核爆炸或核電站事故洩漏的放射性物質才能大範圍地對人員造成傷亡。

人體有軀體細胞和生殖細胞兩類細胞，它們對電離輻射的敏感性和受損後的效應是不同的。電離輻射對機體的損傷其本質是對細胞的滅活作用，當被滅活的細胞達到一定數量時，軀體細胞的損傷會導致人體器官組織發生疾病，最終可能導致人體死亡。軀體細胞一旦死亡，損傷細胞也隨之消失了，不會轉移到下一代。

為愛和希望奮鬥了23年中國首例核輻射案受害者宋學文已離世

在電離輻射或其他外界因素的影響下，可導致遺傳基因發生突變，當生殖細胞中的DNA受到損傷時，後代繼承母體改變了的基因，導致有缺陷的後代。因此，人體一定要避免大劑量照射。

核輻射對人體的危害是極大的，尤其是大劑量的照射。

自核工業誕生之日起，世界各國對核電機器人的研究就從未止步。早在上個世紀40年代，美國阿貢實驗室就研製出一臺可操作放射性物質的機械手。自上個世紀80年代以來，美、法、德、日等國紛紛加大了核電機器人的開發力度，切爾諾貝利事故發生後就有來自多國的核防護檢測機器人和抗核輻射操作機器人參與救援工作。目前，美國的核防護機器人不僅用於民用目的，還應用到軍事戰場，甚至曾一度在伊拉克和阿富汗戰場上“服役”，無論是可執行的動作種類、行動的靈活性、電池的工作壽命還是傳送信號，核電機器人都已經取得了長足長進。

美劇《切爾諾貝利》中的德國產核機器人

劇中這款機器人名叫JOKER

前一秒還是正常的

後一秒就癱瘓了

因為核輻射強度太高了

2000倫琴？

倫琴是什麼？

倫琴不是國際通行的計量單位，倫琴是放射性物質產生的照射量的一個單位。 

英文代號為R，其定義是在0攝氏度，760毫米汞柱氣壓的1立方厘米空氣中造成1靜電單位（3.3364×10−10庫侖）正負離子的輻射強度=1倫琴單位。倫琴單位不是國際單位，但在醫學等方面還是很常用。與國際單位的換算是1倫琴單位=2.58×10-4庫侖/千克。

一般用來衡量X射線和γ射線的強度。用倫琴單位衡量其他形式的輻射（例如α粒子）時可以乘上一個表示生物影響性能的Q因子。倫琴單位表示的是存在的輻射量，不等於生物組織的吸收情況。衡量後者使用的是輻射劑量，單位為雷姆或西弗。1雷姆大致相當於人體全部吸收了1倫琴單位的輻射。

嚴格意義上來說，倫琴和西弗（希沃特，希伏）是兩種不同的計量單位。 

概括起來可以認為： 

1R（倫琴）相當於10mSv（豪希沃特）＝10,000μSv（微希沃特）＝0.01Sv（希沃特）＝1rem（雷姆）

希沃特（英文Sievert，縮寫Sv）是一個國際單位制導出單位，為物理量計量當量的單位，用來衡量輻射對生物組織的傷害。 希沃特（縮寫Sv）是一個由於人類健康安全防護上的需要而確定的具有專門名稱的國際單位制導出單位。為物理量計量當量（H）、周圍計量當量、定向計量當量、個人劑量當量的單位。

定義為 1 希沃特 = 1 焦耳/公斤（1 Sv = 1 J/kg）。 · 1 Sv = 1000 mSv

· 

1 rem = 10-2 Sv （rem 為 雷姆的符號）

正常人年上限只允許1毫西弗，超過4000倍人體就會受到致命汙染。

那麼2000倫琴 概念是 如果沒有防護設備 在這種環境下一小時的吸收量 就能達到20000毫西弗 也就是達到了致死劑量的十倍 也就是說只要6分鐘就能達到致死劑量 這個人會無可挽回地死去。

參與處理切爾諾貝利核事故的絕大多數核電機器人，均在不足20分鐘時間內就失去了作業能力，更何況是在每小時輻射量650希沃特的強輻射環境下，設計可承受1000希沃特輻射的機器人強撐2個小時已屬不易，而人類在這種環境下只要10秒鐘就會死亡。

至於這位莆田系醫生的話就不要相信了。

書歸正傳

移動機器人平臺以控制器為核心，包含了多傳感器信息融合模塊中數據層的融合部分、避障檢測鏌塊、運動控制模塊和通信模塊。移動機器人平臺通過與上位機軟件的通信，是將經過數據層初步融合處理的傳感器數據傳回到上位機。同時，接收軟件平臺下發的運動軌跡參數與控制命令。上位機軟件人機交互平臺由交互操作層、核心功能層和數據通信層構成人機交互界面,軟件平臺為人工規劃機器人運動路徑提供了一個可視化的平臺，把己知結構化環境信息嵌入其中。

如圖

這樣更有利於人的分析與規劃，便於給機器人制定合理的運動軌跡。移動機器人常見的驅動方式有輪式、膛帶式、輪履複合式、腿式以及輪腿複合式。輪式機器人具有結構簡單，可靠性高，穩定性好，運動速度快等優點，主要應用在路面比較平坦的場合，課題研究採用雙輪差動控制加一隨動輪的方式。

圖2-3

履帶式機器人和輪履式機器人結構相對複雜，路面適應能力較強，但是由於履帶定位精度不如輪式機器人定位精度高。

腿式行走機器人和輪腿式行走機器人

那麼強核輻射環境下的機器人各個部件會是一個啥情況呢?

機器人系統輻射環境損傷機理

在機器人系統中，每種設備都使用到很多不同的材料，而材料的耐輻照性能往往就決定了該設備在強輻射環境下工作的性能。輻照領域機器人系統的抗核加固問題，針對機器人系統中最常用的幾種材質的輻射損傷機理進行探討。

半導體材料的輻射損傷機理

由於機器人系統是集機、電、聲、光與一體的複雜控制系統，在所有設

備中以半導體晶體管為代表的控制設備在機器人系統中發揮著核心作用。以

硅為主要材質的半導體將是我們研究和探討的重點。

半導體器件的半導體材料是硅、鍺或砷化鎵，可用作整流器、振盪器、發光器、放大器、測光器等器材。為了與集成電路相區別，有時也稱為分立器件。絕大部分二端器件（即晶體二極管）的基本結構是一個PN結。

(1) 靜態功耗電流

在Y輻射條件下，靜態功耗電流將會受到輻照劑置不斷積累的影響。以

CMOS器件為例，靜態功耗電流將隨著Y輻射總劑1的不斷增大，其靜態功

耗電流也不斷增加。當累計劑量在接近300Gy時，每個器件的靜態功耗電流

可達數十毫安，由此增加很大電源電流，並影響電路的工作。

(2) 闞值電壓

閾值電壓是數字邏輯電路的重要參數，而經過Y輻射不斷累積的半導體

芯片的閾值電壓不斷下移，且總劑量越大，下移愈大。依據芯片生產工藝的

不同，當總劑量達到一定值時，器件完全喪失邏輯功能，甚至邏輯翻轉。閾

值電壓的下移是電路喪失動態能的最重要因素。

(3) 芯片阻抗

Y輻射也會使單元輸出端與地端間電阻Rs。發生嚴£下降，而輸出端與

電源端間電阻Rc。下降要輕微得多。這樣輸出級的NMOS管會嚴重受損，

而輸出級的PMOS管損傷相對要輕得多。由此可見，在電路上改蒈輸出級的

輸出端和地端之間的結構對抗核輻射設計具有重要意義。

聚合物材料的輻射損傷機理

聚合物材料，又稱為高分子材料是指由許多相同的、簡單的結構單元通過共價鍵重複連接而 成的高分子量化合物一般地，聚合物材料包括：橡膠、塑料、纖維 、粘合劑、塗料 、功能 高分子材料 、生物高分子材料等 。

這些材料廣泛的應用於工業、能源、信息等行業，而機器人系統就更加必不可少了。核輻射作用於聚合物將引發交聯反應、降解反應及不飽和度(雙鍵)的變化，若有氧氣存在，發生氧 化反應，還將產生各種氣體產物及其它反應. 以上這些反應導致了聚合物的輻射老化，進而 影響聚合物的性質聚合物材料的輻射老化取決於材料的類型和組分、劑量、劑量率、輻射類 型以及環境氣候、溫度、溼度等因素。

金屬材料的輻射損傷機理

因為60Co輻射出的丫射線為高能光子，具有很強的穿透性，不像中子輻射會產生輻射殘留。因此， Y射線不會對金屬材料產生任何結構上的影響，只是由於金屬材料的疏密程度不一，相同規格的材料其輻射屏蔽效果會有很大差異。

抗核加固技術在機器人系統中的應用

抗核加固是一門涉及多學科的技術，其發展方向是探索更連濟、簡便、有效的輻射加固措施，尋求更先進的模擬試驗技術。在強輻射環境中，機器人系統的正常運行必須依靠抗核加固技術作為保障。為保證機器人內部電子系統、儀器等在輻射環境中仍能完好並可靠地完成各種預定功能而採取的各種技術措施。為了進行抗輻射加固工作，首先須瞭解輻射環境和輻射效應損傷機制。其次，根據抗輻射指標和電子系統所要完成的性能要求制訂失效判據。然後，按照合理的安全係數進行加固設計。從器件生產、電路設計到組裝成電子系統，每個環節都可加固，怛是由於目前設計實驗義件尚不具備元件級的抗核加固設備與條件，整個加固工作以電子系統線路設計和易損設備屏蔽為基礎。本韋主要針對實際項目徭求，結合應用現有的條件，對機器人系統的抗核加固方法進行一些探索和實驗。

輻射環境對機器人部件的影響

這些實驗數據要求人類必須從新加固機器人的各個部件零件

看看以下切爾諾貝利核電站的廢棄機器人

應用到日本福島的機器人，然而這些在超強核輻射環境下，一切都是渣渣！渣渣！

所以說核能給人們帶來源源不斷的能源，也帶給了人們深深的不可磨滅的傷害！