美国桥梁、工厂与公路亟待修缮 机器人或成解决方案 - 《华尔街日报》

越来越多的科技公司正积极应对一个显而易见却规模庞大的问题：美国境内价值数万亿美元的桥梁、隧道及工厂设施正日益老化。

从输油管道、工业厂房到船舶和悬索桥，我们国家最关键的基建正在缓慢崩坏——美国土木工程师协会在最新评估报告中给美国基础设施打出了C-的评级。

原因多种多样：地球表面覆盖着无情的液态与气态混合物，它们无时无刻不在试图从原子层面瓦解我们建造的一切。氧气维持着我们的生命，但它同时也是高活性物质，极易与金属等建筑材料发生反应。锈蚀不可避免，防护涂层会氧化，物体还会起火燃烧。

此外，海浪、风力以及季节性的热胀冷缩不断侵蚀着钢铁和混凝土结构。这种持续损耗可能引发灾难性后果，例如佛罗里达州瑟夫赛德镇公寓楼坍塌事故，以及匹兹堡市桥梁在拜登总统预定就该国基建状况发表演讲前数小时发生的垮塌事件。

佛罗里达州尚普兰大厦南楼历经数十年老化后于2021年倒塌，成为美国历史上最致命的建筑事故之一。图片来源：艾米·贝丝·贝内特/《太阳哨兵报》/Zuma Press管道、压力容器、工字梁以及活动部件终将失效，最终回归到它们最初的基本物质状态。气候变化与日益频繁的极端天气事件正在加速这一过程。

正如库尔特·冯内古特曾写道，最大的挑战在于"人人都想建造，却无人愿做维护"。

机器人登场

在路易斯安那州巴吞鲁东南20英里的密西西比河东岸，壳牌美国自1967年起运营着盖斯马化工生产基地。这里生产的工业化学品被用于合成纤维、洗涤剂和塑料容器等产品。

就在不久前，当壳牌需要检查这座老化工厂的部件时，仍不得不完全关闭相关区域。随后工人们必须冒着生命危险攀爬巨型工厂设施，逐寸进行检查。

壳牌机器人工程师史蒂文·特雷维诺表示，如今公司能在保持工厂运转的同时，让维修人员安全地在地面操作爬墙机器人——这些设备能以毫米级精度检测钢制储罐等设施。通过多种传感器，机器人可同时检测腐蚀与裂纹，这帮助团队缩短了全面停产时需要处理的检修清单。

壳牌使用的磁性爬墙机器人由匹兹堡初创企业Gecko Robotics（壁虎机器人）制造。在盖斯马完成测试后，壳牌计划将这类机器人推广至海上设施。

来自匹兹堡初创公司Gecko Robotics的TOKA 5机器人，让工作人员无需冒着生命危险就能进行检查工作。图片来源：Nate Smallwood/《华尔街日报》“把我们想象成我们场地和设备的医生，”Treviño这样描述他的检查和维护技术团队。“就像医生一样，我们会对‘病人’进行无损检测，然后决定下一步该怎么做——是顺其自然，还是开些‘药方’？”

壳牌公司保持其庞大基础设施这一角落运转的方法，体现了军事和民用各类基础设施维护的更广泛趋势。西门子能源的董事总经理Adam Middleton表示，整个检查和维护行业正在逐渐（有时是不情愿地）从按固定时间表进行维护，转向使用一套新工具，在设备损坏前找出需要修理的地方。

Treviño说，这些工具包括能飞、走、游、爬的机器人，新型传感器，以及人工智能，用于消化它们收集的数据并据此做出预测。

“我认为最引人入胜的事情之一是，我们世界赖以运转的基础设施有多少还未触及数字技术，”总部位于加利福尼亚州圣马特奥的无人机公司Skydio的首席执行官Adam Bry说。

Skydio最近关闭了其消费级无人机业务，专注于企业客户。这些客户包括80多家公用事业公司、35个州的交通机构，以及石油和天然气公司——包括壳牌美国公司。所有这些客户都使用其无人机对关键基础设施的部分进行定期检查，从变电站和电力线路到桥梁和工厂。

对无人机而言，这类检测的核心在于利用智能手机同款摄像头实现视觉检查自动化。采集的图像可输入机器学习系统（即人工智能），该系统经训练能自动识别损伤。

同时，这些无人机还能对物体表面进行精确的三维建模。生成的超现实模型既可供人类在办公室舒适地进行虚拟"检查"，又能通过人工智能标记可疑之处。

特雷维尼奥将这一变革称为从"定期检测"向"风险检测"的转型，布莱则称之为"状态维护"的演进。他补充道：“无论何种表述，核心在于掌握资产实时状态，而非遵循固定时间表。”

自然的严酷考验

与金融科技、房地产科技等热门概念不同，“维护科技"尚未成为刻意炒作的新词。但考虑到其日常生活的重要性，或许值得推广。

过去50年间，多项腐蚀直接成本研究得出相同结论——最近2013年研究显示，其损耗约占GDP的3%至4%。若计入间接成本，总损失约翻倍。全球范围内，腐蚀每年造成数万亿美元损失。

“腐蚀有数百种类型，”Gecko Robotics公司CEO杰克·卢萨里安表示，“我们一直在开发技术和软件来分析正在发生的损害类型。”Gecko最初是一家机器人公司，但后来扩展到创建软件来处理其机器人收集的数据。这家初创企业的系统现用于追踪全球超过6万个资产，包括发电厂、管道、炼油厂、水坝、美国海军舰艇和其他军事装备。

大小生物，日益微型化

谈到检查，“通常你需要的数据就在眼前，只是难以收集，”Skydio公司的布莱说。

越来越多地，收集这些数据的任务落在了爬行、飞行和游泳的物体上。

有Gecko Robotics的磁吸式贴墙爬行机器人，还有Skydio的紧凑、自主、随处可去的无人机。在水下，机器人技术也经历了类似的演变——只是环境在某些方面更具挑战性。

VideoRay公司高管布拉德·克劳斯表示，VideoRay制造水下机器人已有20多年。

在水生环境中，没有GPS，卫星通信也不可能。因此，经过数十年的研究——部分由美国海军资助，但大部分由遥控车辆的最大客户——海上石油工业补贴——才用能在水下工作的等效技术取代了所有这些技术。

导航方面，有相对于水面应答器的声学定位。通信方面，有声学调制解调器。用于检测裂缝和腐蚀的遥控车辆能够使用摄像头和超声波厚度传感器——但前提是机器人足够强大以抵抗强流，并且导航足够精确以靠近目标。在水下，腐蚀发生的速度让陆地环境显得温和——在陆地上，检查员关心的是油漆是否受损，而在水中，他们关注的是结构的厚度，以确定其溶解的速度。

VideoRay公司最新一代的远程作业车仅重38磅，单人即可携带。这种轻量化设计使其能快速部署至任何地点，无需配备大型支援团队、起重机以及传统重型机器人所需的数吨级作业船只。

同样地，Skydio的无人机极为轻便——重量不足3磅，翼展小于两英尺。其紧凑尺寸对实现室内外灵活飞行至关重要，可精准调整摄像头角度对建筑结构进行检测。

“我们是数字化进程的第一道关口，“Skydio的布莱表示，“无人机被证明是实现这一目标的绝佳工具，因为它们几乎能到达任何地方。”

在地面作业领域，苏黎世Anybotics公司研发的四足机器人ANYmal凭借中型犬的体型优势，能跟随人类活动范围——包括上下楼梯。通过搭载摄像头、激光雷达、热传感器甚至电子"鼻子”，它们可自动化执行工业设施检测任务。

Invert Robotics公司则开发出不足11磅重、公文包大小的吸附式机器人。其微型吸盘（类似章鱼触手结构）能附着于任何光滑表面，可在制药厂反应罐内壁、飞机外壳等区域执行毫米级检测，识别腐蚀及生化污染痕迹。

铆接机器人"罗西”

当问题诊断后，机器人正逐步承担起传统由人类完成的修复工作。

Greensea公司生产的水下机器人能清洁船底，防止藤壶、管虫等污垢（即所谓"船体附着物”）堆积——这些附着物会导致船舶额外消耗20%的燃料才能抵达目的地。传统清洁方式需要潜水员团队作业，若情况严重则需进干船坞维修。

Greensea首席执行官本·金纳曼表示，该公司不出售机器人，而是提供订阅服务确保客户船体清洁。客户可选择随船携带机器人，或在靠港时接受清洁服务。

Greensea还展现了机器人检测与数据分析软件形成的协同产业生态。除船体清洁机器人外，该公司自2006年起开发的Opensea软件平台已应用于VideoRay水下设备，并被数十家制造商的设备采用。

等待是最艰难的部分

西门子能源的米德尔顿指出，对于年损失高达数十亿美元的能源企业而言，升级检测维护系统能迅速收回成本。

但问题在于，拥有大型基础设施的企业、政府和军队已形成固有维护体系，这些体系依赖于习惯传统作业方式的人员。

“坦白说，采用这类技术的最大障碍可能在于人类本身，”米德尔顿表示。“如果人们觉得这侵犯了他们的专业领域，要让他们理解并接受可能会相当困难。”

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联系克里斯托弗·米姆斯，邮箱：[email protected]

本文发表于2023年8月19日印刷版，标题为《防止桥梁坍塌的机器人》。