地下能源基础设施的管线铺设作为现代城市建设的关键方向，不仅能够优化城市空间布局，还能提升城市运行效率和安全性。2025年初，南加利福尼亚州发生的严重野火再次引发了公众对于通过地下铺设能源管线以减少火灾风险的关注。
为减轻灾害威胁，加州公用事业公司多年来已投入大量资金实施电线地下化。太平洋燃气与电力公司自2021年起，已安装了超过1287公里的地下电线，据该公司估算，此举在降低起火风险方面的有效率高达98%。同时，南加州爱迪生公司已将其40%的高风险配电线路埋入地下，而圣地亚哥燃气与电力公司的区域配电系统中，有63%已转为地下铺设。
虽然地下铺设基础设施具有多重优势，但其高昂的成本一直是广泛应用的障碍。以电线线路铺设为例，加州三大公用事业公司的估算显示，架空基础设施的电线线路适配成本每公里在39.4万至47.2万美元之间，传输线路则在62.1万至683万美元之间。相比之下，地下铺设配电线路的成本每公里高达110万至370万美元（每英里180万至600万美元），成本高出数倍。
此外，传统地下铺设方法通常需开挖地面，这不仅会破坏道路和周边环境，还会对交通造成显著影响。同时，地下环境复杂，管线布局密集，人工操作难度大，存在损坏现有设施的风险。随着城市化进程的加速，地下管线的需求持续增长。尽管已出现水平定向钻井（HDD）等对地面侵入性较小的无沟渠技术，但这些技术需要专用设备，工作流程复杂，且存在损坏基础设施的风险，其成本也远高于传统方法。
因此，开发一种能够适应复杂地下环境、既高效又低成本的安装技术，已成为行业迫切的需求。
▍受蠕虫启发，开发低破坏、高灵活仿生机器人
面对以上挑战，美国能源部于2024年1月启动了GOPHURRS项目，该项目为期三年，投入3400万美元支持12个项目，旨在开发更高效、对地表影响最小的地下施工技术，以支持中压电线。凯斯西储大学在该项目的资金支持下，对应用于地面管线安装的自推进式机器人套管进行了深入研究，并受蠕虫通过身体的伸缩和扭动在土壤中自由穿行并对周围环境破坏极小启发，开发了一种仿生蠕虫机器人。
据了解，该蠕虫机器人设计灵感来源于自然界中的蚯蚓，通过交替扩展和收缩的段节来锚定和推进机器。通过采用模块化设计，并为每个模块都配备独立的驱动系统，其模块之间可实现协同运动，这使得机器人能够像真正的蠕虫一样在地下穿行。这种灵活的驱动力不仅提高了精确度，还显著降低了对周围管道的潜在冲击。传统方法需要超过300米的大转弯半径，而凯斯研发的这款机器人仅需1.5米的转弯半径，便能灵活绕开现有的地下基础设施。此外，机器人还配备了高精度的传感器和导航系统，能够实时感知周围环境并调整运动轨迹。
与传统HDD方法不同，凯斯西储大学研发的钻探概念利用孔道内的蠕动段节产生尖端所需的力。随着孔道长度的增加，只有前端段节会挖得更深。该项目的共同负责人、凯斯大学生物启发机器人实验室的联合主任凯瑟琳·达尔托里奥（KathrynDaltorio）副教授表示：“如果机器人遇到障碍物，操作员可以将其拉回并改变方向，在沿途挖掘，通过改变深度来完成电路。”
除了钻探方式的革新，蠕动机器人还集成了导管安装功能。在HDD中，钻头先穿过整个长度，然后再拉入电力导管。而凯斯西储大学研发的蠕动机器人则在行进过程中铺设导管，从而缩短了整体安装时间。
▍全方位测试，考察机器人实际应用可能与效果
为了验证该蠕虫机器人的实际应用效果，研究团队对其进行了全面的测试与验证。
通过模拟不同类型的地下土壤环境，包括沙土、黏土和混合土壤等，研究团队评估了机器人在不同土壤条件下的掘进能力和稳定性。测试结果显示，蠕虫机器人在各种土壤条件下均表现出色。其独特的蠕动运动方式使得机器人能够灵活地绕过障碍物，如现有的地下管道和岩石等。同时，机器人还能够在掘进过程中保持稳定的姿态，避免因为土壤的不均匀性而导致偏航或侧翻。
通过进行长时间的连续掘进测试，研究团队就机器人的耐久性也进行了验证。测试过程中，机器人连续工作了数小时，掘进距离达到了数十米。测试结束后，团队对机器人进行了详细的检查，发现其各个部件均保持完好，没有明显的磨损或损坏。
除了掘进能力和稳定性外，研究团队还重点关注了机器人在掘进过程中的振动和噪音问题，并使用专业的振动和噪音测量设备对机器人进行了实时监测。测试结果显示，机器人在掘进过程中的振动和噪音水平均在可接受范围内，不会对周围的地下基础设施造成损害。
实验测试结果综合表明蠕虫机器人具备巨大应用潜力。也因此，研究团与奥本大学、纽约州立大学石溪分校、德克萨斯大学奥斯汀分校等多校建立了合作关系，后续他们将就机器人实际应用进行深入探索，尝试通过使用仿生蠕虫机器人实现地下工程建设成本与时间减半。