前沿|哈佛出了“打桩”机器人，还自带板材！防治水土流失有一套

导读

稳定的土壤结构是农业、建筑业等行业可持续发展的根本，而近年来，因为气候变化和人类对土地的不合理利用，导致很多地区都发生了严重的水土流失现象。由于土地退化面积大，范围广等因素，全凭人类进行治理不太现实，因此，哈佛大学的一个研究所对此进行了探讨。

作者：溪岚

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的团队最近开发出了一款能够自动“打桩”，还能自带板材的机器人——Romu。

Romu机器人的这个“打桩”可能和你认知中的打桩不太一样。

我们平常见到的打桩是这样的↓

而Romu机器人的“打桩”是这样的↓

这也能叫打桩？感觉机器人好像只是在过家家，并不像在打桩的样子啊！

那你可能是不知道，常用的打桩方法分为锤击法，振动法，压桩法等，Romu机器人所用的方法就是振动法+压桩法。这与二者的工作目的和地面环境也有关系。

普通打桩机为了让房子或桥梁更加稳固，要将木桩、水泥桩等打入较深层的地基中，泥土相对较实，因此打桩机的功率更大，振动频率或锤击重量也较高。

而Romu则是为了固土、截流泥沙，起到保护土壤、防止水土流失的功用，多在黄土地貌、海滩、山间坡地等地形上开展工作，由于土地较为松软，打桩深度较浅，因此身材娇小的机器人打桩的动作看起来就比较柔和了。

Romu是如何工作的？

Romu能够一次性携带三块板桩，到达指定地点后，降低底盘，抓住一块板桩将其插入土中。

底盘降低到一定程度后，机器人会自动释放板桩，将底盘重新抬高12cm，刚好使夹持器能够插入到板桩的缺口中，利用机器人自身的重量将其下压到土中，

同时，开启振动锤，打松附近的土壤，使板桩更容易进入土中。重复抬高-下压-振动的过程，直到机器人确认板桩已经插得足够深。

随后，Romu会自动向前移动，沿着上一块板桩的边缘插入第二块板桩，形成一个互锁的坝型。

就其功能性来讲，这个看似小巧的拦砂坝不仅能够经受得住海浪的冲击，并且确实能够达到拦截的目的。

身上携带的板桩用完后，Romu便会返回基站补充材料。

该过程可以重复无数次，这也就意味着，Romu可以建造一个理论上无限长的坝。研究人员理想的情况是由多个Romu机器人共同作业，这样就可以形成一个大型的快速建造场景，利用有限资源达到最高性能的结果。

Romu为何能这样工作？

Romu能够连续在崎岖不平的坡面或松软的沙地上进行工作，并将单独的板桩搭建成并联互锁的坝有以下几点原因。

1. Romu机器人所使用的板桩与普通板材不同：

Romu所使用的板桩经过特殊设计，既适合机器人携带，又使其搭建方便。从横截面来看，板桩呈一个拉长的S型，两块板刚好能够形成一个闭合的口，不用分辨正反面，方便机器人快速连续作业。且板的两端有几处凹陷的缺口，利于夹持器进行夹取。

2. Romu的四轮可以单独上下活动：

Romu的四个轮子上每一个都装有垂直的线性执行器，能够单独上下移动，同时移动时可将底盘上移或下移至多12cm。在崎岖不平的地势行走时，每个轮子也可根据地势高低自行移动，以保持机体平衡。

3. Romu能够确保几块板桩相互连接：

在插好前一个板桩后，Romu会自动向前移动一些，使夹持器位于上一个板桩的前方约20cm处。红色的对齐夹持器确定前桩位置后松开，即可将下一块板桩沿着前一块的锁边下放，确保前后两块板桩相互锁连。

下面是Romu机器人工作的视频：

Romu机器人能做什么？

由于海岸侵蚀、河流侵蚀、土地退化等多是大面积发生，因此，在研究人员的设想中，Romu机器人将以群体形式工作。

研究人员模拟了一个100米×100米，坡度为25%的自定义仿真流域，由十个机器人随机进行10米长的打桩，或让机器人携带土壤粘合剂进行喷射，随后模拟水流侵蚀情况。当水流携带的泥沙超过水流承载力时，泥沙就会沉积。

以下为实验过程。

随机搭坝后模拟水流侵蚀

泥沙沉积状况

四种情况下的效果对比

在模拟图示中，图A为无干涉下水土流失状况。

图B为十台机器人随机建设拦砂坝的干涉状况。实验证明，拦砂坝能够截留住约50%的泥沙，但可以看出，土壤从高处流向低处，依旧存在一定的土壤位移状况。

图C和图D分别为喷射10米土壤黏合剂和100米土壤黏合剂的干涉效果。如预想结果一样，10米范围的土壤黏合剂效果并不理想，然而100米范围的土壤黏合剂与拦砂坝相比，土壤位移减少了许多。

因此，由机器人构建拦砂坝或喷射土壤黏合剂都能够较为有效地防止土壤退化。

在实地测试中，研究人员将Romu带到了海滩上进行测试，发现砂土的实度会对机器人打桩的深度产生影响。由于海滩的砂土比实验室的砂土密度更高，所以在海滩打桩大概只能插入6~7cm，只有实验室深度的四分之一。

研究人员表示，除了预防土地退化，Romu机器人还能够代替人类解决化学危险品或放射性液体泄漏等突发灾害情况，避免产生人身危险。

在未来的实际应用中，Romu机器人将可能根据地形或目的的不同，以几个10倍大小或多个1/10大小的数量进行活动。据称今后Romu将向着其他土地退化的干预措施进行应用功能扩展，如支持干旱地区农业的地下水保留结构，以及用于飓风防备的响应性防洪堤建设等，以便尽早出现在干旱预防救灾场景的实际应用中。