自動潛水器

沈曉夫

自動潛水器(AUV)專門用于執(zhí)行那些對載人船艇而言非常危險或者遠(yuǎn)程遙控工具需要很長時間才能完成的任務(wù)，它們也能夠進(jìn)入依靠其它工具無法到達(dá)的海域。今年，名為“深海自控探索者”(ABE)的機器人潛水器幫助研究人員成功地揭開了Calapagos峽谷附近的“玫瑰園之謎”。這一事件可以看作是自動潛水器開始執(zhí)行科學(xué)使命的標(biāo)志之一。

在過去三年里，研究人員借助自動潛水器對美國海岸海藻的過渡生長、北海鯡魚的行蹤以及新的重要油氣蘊藏區(qū)相繼進(jìn)行了研究和勘探。在未來的幾個月里，在寒冷的南極冰架下，在墨西哥灣有毒的紅潮中，在加利福尼亞海岸冷而營養(yǎng)豐富的海水里仍會出現(xiàn)它們探索的身影。如果以上開拓性的項目獲得成功，那么這些可以進(jìn)行長達(dá)數(shù)月的遠(yuǎn)航，也可以潛伏不動對海底世界進(jìn)行悉心研究的機器人探測器，將會遍布未來的海洋世界。

海洋科學(xué)家喜歡將他們對浩瀚海洋的研究與蒼穹探奇作比。在他們看來，自動潛水器就像是無人駕駛航天器，它們裝載著大量的科學(xué)儀器，長途跋涉到極端惡劣的環(huán)境中實施科學(xué)考察。不過，此前自動潛水器曾長期被認(rèn)為是不可靠和不穩(wěn)定的。1994年，在“深海自控探索者”的處女航中，由于投棄壓艙物的裝置發(fā)生了故障，它被困在海底無法上升。最后，依靠載人潛水艇它才幸免于難。2000年，英國南安普敦海洋研究中心開發(fā)的一艘自動潛水器Autosub也經(jīng)歷了類似的險情：當(dāng)它被卡在海底的懸崖下時，由于沒有倒車裝置，無法按照程序設(shè)計的那樣上浮到水面。

近幾年，隨著能夠協(xié)調(diào)不同計算機控制海洋機器人各部件的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開發(fā)，以及更為復(fù)雜的導(dǎo)航工具的發(fā)展和潛水器操控人員經(jīng)驗的不斷積累，自動潛水器開始在實際應(yīng)用中展示自身的價值。

除專門用于探測深水海域的“深海自控探索者”外，其它用于探測距離洋面更近水域的自動潛水器也紛紛問世。魚雷狀的Autosub便是其中之一。在過去的幾年里，它已經(jīng)在海洋勘測中發(fā)揮了重要作用：它不僅發(fā)現(xiàn)了對魚群進(jìn)行聲納勘測的艦船引擎所發(fā)出的噪聲不會嚇走鮮魚的現(xiàn)象，而且還對南極冰面下磷蝦的棲居地進(jìn)行了勘測。

近日，Autosub將開始執(zhí)行迄今為止所面臨的最富挑戰(zhàn)性的使命。在英國南極勘查小組吉凱恩斯的領(lǐng)導(dǎo)下，研究人員將7米長的Autosub送入南極洲冰架下，它將穿過松樹島冰川冰架下的阿蒙森海，為英國自然環(huán)境資源委員會提出的4個項目收集必要的科學(xué)數(shù)據(jù)。開展這些項目的目的是，了解冰河和海洋之間的相互作用，揭示全球變暖對南極冰原的影響。

松樹島冰川是南極冰原上移動速度最快的冰川之一，方圓2100平方公里。據(jù)統(tǒng)計，它每年將69立方公里的冰送人阿蒙森海。2000年，松樹島冰川上出現(xiàn)一條巨大的裂縫，到2001年11月，相當(dāng)于紐約城大小(大約714平方公里)的冰山突然崩脫。由于此前對南極冰川活動情況的研究只能依據(jù)衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)，鑒于此處極端的環(huán)境和地形變化，即使使用帶纜機器人在冰川表面收集數(shù)據(jù)也是非常危險的。而經(jīng)過特殊編程的Autosub在此卻可以大顯身手。在此次探測中，Autosub將穿過松樹島冰川和阿蒙森海海床之間長達(dá)幾百公里的通道，對此處海域的溫度、鹽度、洋流及海底和冰川底部的形貌進(jìn)行探測，并將從冰底抽取水樣進(jìn)行分析。研究人員認(rèn)為，Autosub安全返航的可能性只有75％，這對于耗資超過100萬美元研制成功的自動潛水器來說，無疑風(fēng)險巨大。目前，研究人員已經(jīng)制造出第二臺Autosub，在緊急情況下備用，而且在未來的兩年內(nèi)，研究人員還將研制更多的Autosub。

如果松樹島使命取得成功，明年Autosub將會在Ronne冰架(面積與法國領(lǐng)土差不多，漂浮在威德爾海上)下進(jìn)行一次更為艱巨的旅行。Autosub上裝有尖端回轉(zhuǎn)式羅盤，而且在遇到危險時，它還會發(fā)出緊急聲訊求助。但是，如果冰架發(fā)生坍塌，Autosub則很難幸免。

目前，其他研究小組還在使用水下滑翔機來研究墨西哥灣海藻肆虐引發(fā)的有毒紅潮。這種滑翔機大約2米長，其運動與空降滑翔機原理相同。它們的“翅膀”使其在沉入水中時能夠覆蓋很長的距離，而且，方向舵能使它們按照航線行駛。一旦到達(dá)預(yù)定軌道的底部，滑翔機就會利用電池動力泵來改變自身的浮力，徑直浮到水面。在水面上，它們利用全球定位系統(tǒng)來確定自身的方位，相應(yīng)地調(diào)整方向舵，再次下潛。由于它們不依賴于耗電的發(fā)動機，所以它們一次就可以在考察區(qū)穿梭長達(dá)數(shù)日甚至幾個星期。未來的水下滑翔機還將模仿群居昆蟲的行為模式，具有協(xié)同工作的智能，它們可以沿水面運動，通過無線電向控制中心發(fā)送位置報告，根據(jù)其它滑翔機的位置和行為作出進(jìn)一步行動的判斷。

未來的自動潛水器還將在石油勘探和軍事中找到用武之地。日益上漲的石油價格和日漸耗盡的淺海石油資源都促使石油公司加緊進(jìn)行更深水域的勘探工作，而在這一方面，自動潛水器有著獨特的優(yōu)勢。與此同時，這一技術(shù)已經(jīng)得到美國海軍的資助，因為自動潛水器可以作為探雷器，在進(jìn)行水上攻擊之前勘查近海地區(qū)。

此外，自動潛水器的熱衷者們正致力于具體的技術(shù)改進(jìn)，為自動潛水器配備完成特定科學(xué)使命所需要的成套傳感器。這樣的改進(jìn)將會提高對科學(xué)研究的價值。

研究人員設(shè)想，未來的自動潛水器可以全天候駐留在海洋中進(jìn)行科學(xué)勘測，只有在充電和下載資料時才需要中斷工作。新型水下滑翔機還可以利用海洋溫度突變層的溫差自行發(fā)電，這使它們能夠在海底連續(xù)呆上幾個月。而且，工程師們現(xiàn)在也已經(jīng)為它們開發(fā)出了海底停泊港。

如果技術(shù)的發(fā)展能夠如人們所愿，自動潛水器就會成為通過電力和通信電纜與海岸相連的永久的海底觀測臺，這樣的情形已經(jīng)在新澤西海岸和蒙特雷海灣出現(xiàn)。未來的技術(shù)將會使海洋學(xué)家們通過互聯(lián)網(wǎng)與自動潛水器交流。如此一來，呆在實驗室里探索海洋世界就會成為可能。