2008年7月，位于西安市長(zhǎng)安區(qū)大兆鄉(xiāng)龐留村西側(cè)的龐留唐墓現(xiàn)場(chǎng)，考古人員正在緊張工作。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了盜洞，他們要對(duì)這座古墓進(jìn)行搶救性發(fā)掘。

    
考古機(jī)器人爬坡表演

      以往發(fā)掘之前，考古人員需要身入尚未打開(kāi)的古墓內(nèi)部開(kāi)展考古調(diào)查。這一回，他們卻沒(méi)有這么做。只見(jiàn)一臺(tái)裝有履帶的小機(jī)器，沿著盜洞緩緩進(jìn)入墓穴之中。不一會(huì)兒，工作人員面前的視頻之上，出現(xiàn)了圓形的墓室，而墓壁之上，則布滿(mǎn)了壁畫(huà)。與此同時(shí)，墓室之中的溫度、濕度以及相關(guān)氣體的指標(biāo)也傳導(dǎo)到了大家的手中。

    這是可以在我國(guó)考古史上留下重重一筆的一幕。在我國(guó)之前的考古工作中，這樣的智能化預(yù)先探測(cè)從未有過(guò)。

    讓考古人員不用再冒著風(fēng)險(xiǎn)身入墓室的這個(gè)機(jī)器，俗稱(chēng)考古機(jī)器人，正式的名稱(chēng)則是“考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)智能探測(cè)系統(tǒng)”。作為國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“文物出土現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)與應(yīng)用”的重要研究成果，日前，這個(gè)“小家伙”也憑著自己的靈敏與高效，拿到了2012年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)的榮譽(yù)。
 
           古墓探查風(fēng)險(xiǎn)重重

    在我國(guó)考古界，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)地下墓葬類(lèi)封閉空間的探查，主要采用的是洛陽(yáng)鏟。這種探查方式，是用洛陽(yáng)鏟在探查區(qū)打出豎直的探洞，依據(jù)洛陽(yáng)鏟帶出的泥土變化的特征，來(lái)判斷地下遺存的狀況。

    “這種探查方法盡管簡(jiǎn)便，其判斷依據(jù)卻是間接的。其原理是通過(guò)帶出的土樣的變化來(lái)判斷土壤是否被擾動(dòng)過(guò)，通過(guò)土樣中的夾雜物（可能洛陽(yáng)鏟剛好打中了文物產(chǎn)生的碎片或本身存在的碎片）判斷物質(zhì)遺存，通過(guò)打探時(shí)感覺(jué)到打空了來(lái)判斷下空的空間（比如墓葬）。”國(guó)家博物館學(xué)術(shù)研究中心副主任、研究館員鐵付德長(zhǎng)期致力于文化遺產(chǎn)保護(hù)研究，對(duì)傳統(tǒng)探查方法的利弊了然于胸：“這種方法帶有一定的隨機(jī)性，并無(wú)法準(zhǔn)確判斷地下遺存的存在和分布。而且，當(dāng)?shù)叵麓嬖谶z存時(shí)，洛陽(yáng)鏟難免正好打在文物上，存在一定的損害文物的風(fēng)險(xiǎn)。”

    考古人員如果要身入墓室，也是風(fēng)險(xiǎn)重重。鐵付德介紹，古代墓葬年代久遠(yuǎn)，尸體和其他物質(zhì)的氧化腐敗，耗盡了其中的氧氣，同時(shí)也會(huì)生成一些有害的氣體，比如二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、甲烷，按照古人的埋葬文化可能還會(huì)存在汞蒸氣。此外，由于地下潮濕、陰暗，可能還會(huì)存在一些微生物。無(wú)氧和上述氣體以及微生物的存在，對(duì)考古人員必然造成有害影響。在國(guó)內(nèi)考古發(fā)掘中，就出現(xiàn)過(guò)進(jìn)入地下墓葬的發(fā)掘人員身上發(fā)癢起疹子的案例。

    沒(méi)有行之有效的手段，實(shí)際上已經(jīng)成了制約地下墓葬考古發(fā)掘的一個(gè)瓶頸。

    一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，鐵付德了解到，國(guó)外考古人員在對(duì)埃及金字塔內(nèi)部一個(gè)狹長(zhǎng)通道遠(yuǎn)端的情況進(jìn)行探查時(shí)，曾數(shù)次使用過(guò)機(jī)器人。這讓他深受啟發(fā)：“在智能控制技術(shù)十分發(fā)達(dá)的今天，能否將機(jī)器人技術(shù)與考古調(diào)查結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)考古調(diào)查的智能化探測(cè)？”

    香港科技大學(xué)自動(dòng)化技術(shù)中心主任李澤湘教授是鐵付德大學(xué)時(shí)期的同學(xué)。他也是國(guó)際機(jī)器人大會(huì)的主席，在智能控制領(lǐng)域非常有名。為了進(jìn)一步論證自己的想法，鐵付德與這位正在哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院擔(dān)任特聘教授的大學(xué)同學(xué)討論過(guò)多次。雙方一拍即合，決定一起合作，共同研發(fā)一套“考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)智能探測(cè)系統(tǒng)”。

    讓它有更好的“體形”

    2007年，在國(guó)家文物局的組織下，由國(guó)家博物館牽頭，聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院和香港科技大學(xué)的智能控制研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始合作研制考古機(jī)器人。

    按照鐵付德他們一開(kāi)始確定的設(shè)計(jì)思路，考古機(jī)器人采用了雙履帶（每條履帶36厘米長(zhǎng)）和穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)方式。“由于要在墓葬中移動(dòng)，機(jī)器人應(yīng)具有爬坡能力和穩(wěn)定性。此外，為了完成探測(cè)，機(jī)器人還要攜帶探測(cè)溫度、濕度、氧氣、二氧化硫、硫化氫和甲烷的6個(gè)傳感器，以及具有云臺(tái)模式的夜視紅外攝像裝置。”這些配置，是圍繞考古調(diào)查的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

    不過(guò)，這個(gè)設(shè)計(jì)方案出來(lái)后，一些專(zhuān)家提出了意見(jiàn)。專(zhuān)家的擔(dān)心主要集中在兩點(diǎn)：一是機(jī)器人體量和重量過(guò)大，會(huì)對(duì)地下遺存有干擾或損壞；二是，關(guān)于考古機(jī)器人的設(shè)計(jì)，想法很好，不過(guò)，機(jī)器人如何進(jìn)入墓葬呢？

    研發(fā)過(guò)程的最難點(diǎn)并不在機(jī)器人技術(shù)本身，而是如何在考古發(fā)掘需求與機(jī)器人技術(shù)之間找到結(jié)合點(diǎn)。承擔(dān)研發(fā)任務(wù)的哈工大深圳研究生院朱曉蕊博士說(shuō)，例如，只有把墓穴出入口的大小、輔道的長(zhǎng)短、需檢測(cè)氣體的種類(lèi)都確定無(wú)誤，才能制作出相應(yīng)的機(jī)器人，否則就不能適應(yīng)考古發(fā)掘工作。而隨著考古發(fā)掘探測(cè)要求的升級(jí)變化，對(duì)機(jī)器人的要求也會(huì)不斷提高。

    為了解決研發(fā)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，鐵付德決定帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研。

    他們從北京出發(fā)，沿途考察了鄭州、新鄭、洛陽(yáng)和西安地區(qū)的一些考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)，并與一些考古專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行了多次座談。根據(jù)調(diào)研和座談收集到的信息、意見(jiàn)，他們又對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改。
 
  調(diào)整后的思路，將機(jī)器人的履帶長(zhǎng)度縮小到16厘米，其上載有的所有部件采用最小化元件，縮減尺寸和整體重量。另外，機(jī)器人系統(tǒng)采用可拆卸組裝式設(shè)計(jì)，既可以組裝成履帶車(chē)型，也可將其中關(guān)鍵部件拆下，組裝成圓柱狀。第一種履帶式機(jī)器人可沿盜洞進(jìn)入墓葬，第二種圓柱狀機(jī)器人可沿探洞進(jìn)入。

    這個(gè)設(shè)計(jì)思想形成后，在設(shè)計(jì)上要解決不降低功能減小尺寸和重量，一切部件都要重新選型；設(shè)計(jì)上要實(shí)現(xiàn)可拆卸組裝，需要解決在兩種模式下的布局、結(jié)構(gòu)和銜接；在組裝成圓柱狀時(shí)，技術(shù)設(shè)計(jì)上要能實(shí)現(xiàn)最小的圓柱直徑，最后實(shí)現(xiàn)的圓柱狀直徑9厘米。

    這種設(shè)計(jì)和進(jìn)入方式最后獲得了考古學(xué)家和文物保護(hù)專(zhuān)家的一致認(rèn)可。

    “這部機(jī)器人有著更符合考古發(fā)掘要求的‘體形’‘視覺(jué)’和‘嗅覺(jué)’。”負(fù)責(zé)項(xiàng)目全程指導(dǎo)的李澤湘教授說(shuō)。

    在考古現(xiàn)場(chǎng)大顯身手

    最終制成的考古機(jī)器人直徑10厘米，高39厘米，可根據(jù)需要像“變形金剛”一樣組裝成直筒式和履帶式。

    考古機(jī)器人研制出來(lái)后，進(jìn)入了試驗(yàn)階段。

    由于西安地區(qū)的文化遺產(chǎn)極為豐富，鐵付德他們將試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在西安。于是，在西安市長(zhǎng)安區(qū)龐留唐墓的考古工作中，出現(xiàn)了本文開(kāi)頭提到的一幕。

    得益于考古機(jī)器人的不只是龐留唐墓，在西安延廉漢墓的考古發(fā)掘中，考古機(jī)器人也得到了成功應(yīng)用。西安延廉漢墓是一座土墓?？脊湃藛T先以探鏟打探洞，剛至下空則停。然后，他們以圓柱狀機(jī)器人下入墓室，通過(guò)考古機(jī)器人，墓室中溫濕度及氣體含量數(shù)據(jù)成功返回到地面控制工作站，而視頻則可以見(jiàn)到墓葬穹頂、墓內(nèi)淤土、木門(mén)封磚，以及墓葬大致尺寸、深度。