利用機器狗製作輻射地圖

主要要點：

• 輻射地圖可以用來提高有放射性源的地點（如電廠或醫院）的安全性，強化防擴散協議，或指導環境清理和災難應對。

• 伯克利實驗室的科學家們已經創建了多傳感器系統，能夠實時三維映射核輻射，並目前正在測試如何將此系統與能夠自主探測輻射區域的機器人整合。

• 更智能的機器人可以幫助人類操作員評估難以訪問的環境，並降低輻射暴露和受損基礎設施等危險帶來的風險。

在2013年，研究人員使用微軟Kinect攝影機在日本福島縣的房屋中進行測試。該設備的紅外光勾勒出建築的輪廓，生成粗略的三維地圖。在此基礎上，團隊還疊加了早期版本的手持伽馬射線成像儀所顯示的福島第一核電廠事故所產生的不可見核輻射信息。

本月，能源部的洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）正在教一隻機器狗利用其背部內置的一整套傳感器，智能地搜尋放射性材料。可以說，輻射地圖技術已經取得了顯著進展。

伯克利實驗室應用核物理（ANP）計劃的副主任Ren Cooper表示：“輻射技術（如伽馬射線探測器）的改進通常需要很長時間，因此我們通過利用其他類型的傳感器來定義最新技術的狀態。”他補充說：“這不僅涉及核物理，還包括機器人學、計算機視覺、軟體和其他元素的結合，以實現社會效益。”

這些應用包括通過監測電廠、粒子加速器或醫院中使用的放射性源來提高核安全；核安全和防擴散工作；環境清理和修復；以及應急災害響應。

自從Kinect時代以來，伯克利實驗室的研究人員已經將越來越多的傳感器集成到輻射映射中。他們整合了視頻攝像機、激光雷達（LIDAR）、慣性測量單元（如陀螺儀和加速度計）以及粒子檢測器，形成了具備供電和內部計算能力的自給自足系統。在一種看似簡單的技術中，稱為“場景數據融合”，來自多個來源的大量信息被處理成一張圖像。

“我們現在能夠用系統做到的事情是相當革命性的：我們正在以三維和實時的方式映射世界，”加州大學伯克利分校的教授、伯克利實驗室應用核物理（ANP）計劃的創始人兼負責人Kai Vetter說。他與幾位研究生合作，與日本原子能機構一起在福島進行房屋的輻射地圖繪製。“這是一種極為強大的方式來觀察環境並做出決策，因為我們擁有這種能夠在任何地方可視化輻射的工具。”

這些系統已經能夠在崎嶇地形中手持攜帶、通過無人機在開放區域中飛行，或者固定在能夠在建築物內部靈活運動的機器人上。現在，研究人員正在擴展這些能力，以實現更多獨立的機器人行動，例如調查熱點或找到輻射區域的邊界。

教機器狗新把戲

將輻射探測系統固定在機器狗上並不難。伯克利實驗室的科學家Brian Quiter大約花兩分鐘時間將定位與映射平台（LAMP）安裝到波士頓動力公司的Spot機器狗上。然而，將這兩個系統整合起來，使Spot能獲取輻射數據並做出智能選擇，則是另一回事。

一個重要的因素是教會機器狗什麼是物體以及如何對其做出反應，這一過程在計算機視覺中被稱為“語義分割”。

“如果你在牆的另一邊有一個放射性源，那麼對語義毫無概念的狗會跑來說，‘嘿，這面牆是放射性的，’”Quiter說，他同時也是ANP的副主任。“而具備語義理解的狗會說，‘這裡是放射性的——我想看看牆的另一側有什麼。’目前還沒有任何機制可以做到這一點。如果我們能將這一知識融入我們的算法中，我認為這將是一個重大進展，將提升自動輻射映射的有效性。”

擁有這種程式設計，自治機器人可以智能地對受污染的物體和區域進行地圖繪製，以便進行清理。它也可以沿著走廊行走，識別應具有特定輻射特徵的廢物罐，並立即收集額外數據以調查任何異常情況。

“進行良好的測量需要時間，而機器人可以進行良好的測量，”Quiter說。“這樣可以讓檢查員或操作員有更多時間去做其他事情，並且意味著機器人可以承受輻射劑量而不是人類，這對大家都是有利的。機器人可以承受更多的輻射。”

輻射地圖的未來

在過去十年中，輻射地圖技術已經發展，但研究人員仍希望在某些方面進行改進。當前系統在製作某個區域的輻射相對量地圖和識別熱點方面表現良好，但從更有限的測量中形成預期輻射劑量的實際地圖仍是積極改進的領域。

“定量讀數並不是一件容易的事情，因為世界非常複雜，”Vetter說。“在輻射測量中，讀數的距離和阻擋的屏蔽量都很重要。很多信息必須通過我們的測量來推斷，但我們目前的優勢在於，我們利用機器學習和機器視覺獲得了大量有關我們環境的信息。”

一種方法是開發新的算法，以整合傳感器收集的更多信息。例如，科學家們已從新的成像算法中看到有希望的早期結果，這些算法可以利用伽馬射線探測器測得的全範圍能量生成地圖。（以往的方法受到更小、更有限的能量範圍的限制。）

未來，輻射映射系統也可能在新的領域找到應用。研究人員可能會利用這些系統進行關鍵材料的回收，尋找地質有趣的材料，例如，前礦區丟棄的當時不被認為有價值的鋰，這是電動車的重要原料。

“這是一個相當大的問題，我們希望能夠幫助解決，”Quiter表示。

輻射映射還可能幫助團隊發現世界各地埋藏的數百萬個地雷。儘管地雷本身並不具放射性，但研究人員正在探索一種名為“主動探測”的技術，使用中子可能使地雷發射伽馬射線，這是他們可以檢測的信號。Vetter還想像著使用這項技術來監測在長途旅行中暴露於宇宙輻射的航天器和宇航員的健康狀況。

“我們今天所處的情況令人興奮，這種技術的巨大進步使我們能夠實時映射世界，”Vetter說。“但看到未來還有什麼可做的和將會出現的事物同樣令人興奮。”

最近，場景數據融合被美國能源部核科學諮詢委員會在其2023年核物理長期計劃中提及，作為核科學應用的例子。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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