水下機(jī)器人神奇在何處

廖 可

2003年3月中旬，中國(guó)研制的6km水下機(jī)器人正式下水投入使用。6年來(lái)，它已在海洋科考、海洋勘探等方面大顯身手。

什么是水下機(jī)器人

水下機(jī)器人也稱(chēng)無(wú)人潛水器或深潛器。它的任務(wù)是進(jìn)行水下探測(cè)和實(shí)驗(yàn)、打撈、搜救等。根據(jù)操縱方式，分為有纜式和無(wú)纜式：根據(jù)下潛深度，分為潛水型、深水型和超深水型；根據(jù)任務(wù)不同，分為科考型、軍事型等。

世界上第一臺(tái)水下機(jī)器人是美國(guó)的“Poodle，于1953年投入使用，至今已有50多年的歷史。目前，日本“海溝號(hào)”機(jī)器人已經(jīng)成功對(duì)馬里亞納海溝(最深處11034 m)的6.5km區(qū)域進(jìn)行了考察，成為迄今為止考察深度最大的機(jī)器人。

中同第一臺(tái)水下機(jī)器人于1986年研制成功，主要用于海洋石油勘探和救撈。隨著我國(guó)機(jī)器人研究水平的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有爬行、浮游型、深潛型等多個(gè)種類(lèi)。第一代無(wú)纜水下機(jī)器人“探索號(hào)”是在1994年研制成功的。第一臺(tái)6km水下機(jī)器人是在1995年完成的。2003年出?？疾斓氖俏覈?guó)研制的第二臺(tái)6km水下機(jī)器人，技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

水下機(jī)器人必須克服一些技術(shù)障礙，其中，如何承受海水壓力、自動(dòng)控制能力、是否具有強(qiáng)勁動(dòng)力，體現(xiàn)著水下機(jī)器人最基本的性能，同時(shí)也是最大的技術(shù)瓶頸。

承受海水的高壓

水下機(jī)器人的丁作深度最淺的也有幾十米，最深的現(xiàn)在已接近8km。每增加100m，就要增加10個(gè)大氣壓。如此大的海水壓力，機(jī)器人能否抗得住呢?

為了能適應(yīng)深水工作的需要，水下機(jī)器人的“外表”都經(jīng)過(guò)了精心的設(shè)計(jì)和制造，選用了制造潛艇外殼所用的高強(qiáng)度合金鋼、鈦合金鋼等耐壓材料。日本的“海溝號(hào)”的外殼材料就是新型合金鋼，不僅堅(jiān)固異常，而且很輕很薄?，F(xiàn)在，復(fù)合材料、納米材料的出現(xiàn)，使水下機(jī)器人的耐壓性又提高了一步。

光有外殼能承受巨大的壓力是不夠的，內(nèi)部的設(shè)備也要進(jìn)行耐壓強(qiáng)化。否則，里面嬌貴的設(shè)備有可能因?yàn)閴毫Υ蠖榱?。為了?shí)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備的耐壓，設(shè)計(jì)人員首先對(duì)設(shè)備的分布進(jìn)行最佳優(yōu)化，使之達(dá)到最佳外形。其次，對(duì)內(nèi)部零部件都進(jìn)行外殼式加固，就是給些不耐壓零部件加上個(gè)“全金屬外殼”。此外，還可以在水下機(jī)器人內(nèi)部采用液壓或氣壓裝置，以此來(lái)抵消水的壓力。

自主能力提高

水下機(jī)器人是一種自動(dòng)化程度較高的機(jī)電一體化系統(tǒng)，與陸地上的機(jī)器人一樣，其核心是自動(dòng)控制技術(shù)。在早期，水下機(jī)器人是通過(guò)線纜遙控的，在工作時(shí)基本上沒(méi)有什么自主性，獲得的各種數(shù)據(jù)和圖像等信息也只能進(jìn)行暫時(shí)的存儲(chǔ)，要等機(jī)器人返航后才能進(jìn)行處理。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人的自我行動(dòng)能力越來(lái)越強(qiáng)。早期的水下機(jī)器人的行動(dòng)范圍還只限于工作母船的500m范圍內(nèi)。現(xiàn)在，已經(jīng)可以離開(kāi)母船數(shù)千米獨(dú)立工作，并可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和各種聲像采集系統(tǒng)進(jìn)行即時(shí)傳送。一些電視節(jié)目制作公司經(jīng)常租用水下機(jī)器人進(jìn)行實(shí)景拍攝，畫(huà)面極其真實(shí)。

動(dòng)力和能源

水下機(jī)器人的推進(jìn)裝置主要有螺旋槳式、噴水式、螺旋槳與噴水混合式幾種?，F(xiàn)在，為了更復(fù)雜的海底科考的需要，一些研究人員準(zhǔn)備推出自走式和爬行式水下機(jī)器人。

水下探測(cè)和考察般都是在沒(méi)做過(guò)預(yù)先勘測(cè)、沒(méi)有海圖或非常不熟悉的水域進(jìn)行，水流和地形條件復(fù)雜，這就需要水下機(jī)器人不光要具備強(qiáng)勁的動(dòng)力和操縱能力，還要具備很高的適應(yīng)能力。否則，一旦出現(xiàn)動(dòng)力故障，水下機(jī)器人就只好永遠(yuǎn)地沉在水底。

動(dòng)力系統(tǒng)最重要的部分就是能量的來(lái)源。由于水下沒(méi)有空氣，柴油機(jī)、汽油機(jī)等動(dòng)力裝置是無(wú)法使用的。所以，高性能的電池推進(jìn)成為目前水下機(jī)器人唯的選擇。早期的水下機(jī)器人電池容量很低，一般只能持續(xù)工作1h～2h?，F(xiàn)在，各種規(guī)格的鋰電池、燃料電池已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，工作時(shí)間一般都能達(dá)到8h～10h，甚至更長(zhǎng)。此外，由于燈光、控制系統(tǒng)、傳感器、機(jī)械臂等裝置都需要電能，所以電池必須具有很高的可靠性。