水下機器人15年，從淺海到深淵

李一平

抬頭望星空，浩瀚、寧靜且充滿奧秘，低頭探海洋，如天空般蔚藍(lán)、如宇宙般深邃。海洋是一片神秘的領(lǐng)域，自古以來，有關(guān)海洋的傳說不計其數(shù)，人們都向往大海，但大多時候只能在岸邊欣賞其美，水下的世界仍舊充滿未知。但隨著科技的發(fā)展，人類在不斷加深對海洋的探索，揭開海洋的神秘面紗。帶領(lǐng)人們探索海洋世界的是水下機器人，說到水下機器人，大家可能更多是通過媒體來了解，比如2016年，“海斗”號下潛到了馬里亞納海溝，挑戰(zhàn)深淵的最深處——海溝的底部，當(dāng)時大家都覺得，中國人終于造出了能夠到達(dá)海洋最深處的水下機器人。通常，人們說水下機器人的發(fā)展有60年的歷史，這主要指世界水下機器人的發(fā)展歷史，中國的水下機器人經(jīng)歷了30多年的發(fā)展過程。

ROV與AUV相結(jié)合的深海機器人

水下機器人主要分成兩種：遙控水下機器人和自主水下機器人。對于遙控水下機器人，需要電纜將它和母船進行連接，母船通過電纜為它提供能源，它通過電纜向母船回傳獲得的數(shù)據(jù)。整個過程中因為有母船的支持，所以它不會跑得很遠(yuǎn)，也正因此，它只能在水下的一個小范圍，或者局部范圍內(nèi)做定點觀測。對于大型的遙控水下機器人，工作人員會給它裝上機械手，以便它在水下進行取樣作業(yè)。2017年，中科院沈陽自動化研究所研制出了我國第一臺6000米級的遙控水下機器人，當(dāng)時，它在水深5600米的地方布放了一個標(biāo)示物和一面國旗。那時研究人員覺得這個機器人是能夠下潛到6000米級深度的唯一一個遙控水下機器人，所以在那個地方布置了一個標(biāo)示物，表明中國的水下機器人曾經(jīng)到達(dá)過這里。這類水下機器人最大的特點是沒有臍帶電纜的約束，可以在海中走得更深更遠(yuǎn)，所有的能源通過體內(nèi)攜帶的電池提供，所以在設(shè)計的時候，要讓它的外形呈良好的流線型，保證它在水中走得更深更遠(yuǎn)。自主水下機器人還有一個特點，正是因為它沒有和母船連接的電纜，所以獲取的數(shù)據(jù)需要等它回來才能導(dǎo)出，也就是說，我們不能實時獲得數(shù)據(jù)。做過這兩類機器人后，科研團隊想，能不能做一種新型機器人，代替我們?nèi)ジh(yuǎn)的未知海域。遙控水下機器人（ROV）有電纜的約束，自主水下機器人（AUV）沒有電纜的約束，但數(shù)據(jù)不能實時傳輸。所以就想研制一種新型機器人，既可以大范圍運動，也可以在局部范圍內(nèi)做精細(xì)的觀測。這就是自主遙控水下機器人設(shè)計理念的雛形，這種新型水下機器人名叫ARV，它的英文名字來源于ROV和AUV。

引發(fā)這個想法的還有一件事。2003年，我國一臺遙控水下機器人去北極進行了一次觀測活動，是我國機器人歷史上比較重要的一件事情，意味著我國開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。機器人從北極返回后，科研團隊就在想它還有哪些不足、還要做哪些改進。那時大家想能不能把那根電纜去掉，或者以另外一種電纜的形式呈現(xiàn)。基于此提出了ARV的設(shè)計想法，用光纖來代替原本很粗的臍帶電纜，有限的范圍內(nèi)可以裝更長的光纖，保證機器人走得更遠(yuǎn)。從最初有這樣的想法到最后在極端環(huán)境下的應(yīng)用，實際上經(jīng)歷了15年的時間。2001年，團隊申請到了創(chuàng)新基金項目，研制一個遙控水下機器人和自主水下機器人都能用得到的小型控制系統(tǒng)。

水下機器人的核心實際就是計算機的控制系統(tǒng)，所以科研團隊想做一個能夠在剛才說到的兩種機器人，甚至未來全新的機器人上都可以用得到的控制系統(tǒng)，用了將近兩年的時間，利用一個舊的遙控水下機器人平臺實現(xiàn)了這樣的想法。后來，團隊又申請到了同樣的項目，來做新型ARV關(guān)鍵技術(shù)驗證平臺。對于ARV這種混合式機器人來講，亟待解決的核心問題有很多，其中最重要的一個就是替代電纜的光纖。經(jīng)過不斷的試驗，最終在2005年，混合式機器人研制出來了。在后續(xù)的幾年里，團隊不斷地探索，不斷地失敗，不斷地尋找新的解決方案，最終做了五型的機器人，讓它在極端環(huán)境，比如北極、馬里亞納海溝都得到了實際應(yīng)用。

混合水下機器人探索冰川世界

說到北極，大家可能想到的就是被海冰覆蓋著的、白雪茫茫的一片冰雪世界。的確，北極是一個冰的世界，但厚厚的海冰下是一片海洋。水下機器人在北極得到應(yīng)用，要面臨幾個挑戰(zhàn)。極地是一個高寒地區(qū)，水下機器人所有的元器件都要耐得住低溫；極地還是一個高緯度地區(qū)，在北極極點，所有的導(dǎo)航設(shè)備、磁的設(shè)備都會失靈。還有一個挑戰(zhàn)，北極的海冰并不是固定在海面不動的，海冰隨著時間在漂移，所以你今天到的地方，明天如果想再去，沒有好的導(dǎo)航系統(tǒng)幫助，你可能就去不了了。但是，科研團隊希望能夠讓水下機器人在北極看一看海冰的分布情況，因為極地氣候是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要因素，科學(xué)家們想通過研究極地海冰融化的速度來了解它對全球氣候的影響。機器人研制出來之后，一共參加了3次北極科考。2008年，第一型的北極ARV系統(tǒng)完成研制工作，接著，在水庫進行了模擬海冰情況的湖上試驗。但機器人到了北極具體該怎么用，科研團隊卻拿不太準(zhǔn)，畢竟連人類都很少去北極?？紤]到大家沒有在北極使用水下機器人的實操經(jīng)驗，先在一個相對開闊的海域，通過“雪龍”號搭載的“中山”艇把機器人放下去。機器人在海冰的邊緣和底下航行，那是科學(xué)家頭一次看到北極海冰下的壯觀景象。以往的水下機器人都是看海底或者水體，但這個機器人卻是要向上看海冰，因此所有的傳感器、觀測設(shè)備都要向上安裝，這樣機器人在行走的時候，我們才可以清楚地看到冰下的世界。

2010年，這一型機器人又參加了中國的第四次北極科考。有了上次的經(jīng)驗，這次科研團隊知道要找一個比較開闊的海域投放機器人，可實際上，找到這樣的區(qū)域是非常困難的，于是就開鑿了一個冰洞。冰洞的大小約是2米×1米，海冰的厚度達(dá)1.8米，這個冰洞所在的緯度是北緯87度，而緯度最高就是90度，所以鑿冰洞的工作難度也是相當(dāng)大。水下機器人從冰洞被投放下去，待它執(zhí)行完任務(wù)后，再從冰洞里回收起來，這就對機器人提出了很高的要求：完成任務(wù)后還要能回到原投放地。經(jīng)過這次北極科考，科研人員都覺得機器人的體積還是大了些，鑿冰洞也比較費時間，下次再去的時候一定要把機器人做的小點?，F(xiàn)在大家看到的就是體積只有原來一半大小的改進后的機器人。2014年，水下機器人再次去了北極。有了上次的經(jīng)驗，這次花的時間就少多了。

水下機器人勇闖深淵

剛才跟大家分享的是水下機器人在北極的應(yīng)用情況，當(dāng)初做機器人的時候，我們想機器人還需要到另一個極端環(huán)境——海底深淵去看一看。深度為1000米的海域定義是深海，深度在6000米以上的海域就叫深淵了。2014年，海斗深淵專項項目獲得了中科院先導(dǎo)專項的資助。深淵是一個又細(xì)又長的區(qū)域，從縱剖面看呈漏斗狀，所以它被形象地稱為海斗深淵。馬里亞納海溝是世界上迄今為止世人所知最深的深淵，世界上很多科學(xué)家都想研究這個海溝，深淵技術(shù)的發(fā)展和開展深淵科學(xué)研究，都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。對于從事機器人研制工作的科研團隊而言，設(shè)計一款機器人，讓它到深淵去看一看，從而獲得一些數(shù)據(jù)供科學(xué)家研究海底深淵的生物、深淵的地質(zhì)是非常有必要的。過去的3年中，團隊經(jīng)歷了很多次試驗，從實驗室到湖上，從淺海到深海，試驗一步一步走過來。在深淵環(huán)境，最大的技術(shù)難點就是耐壓、抵御黑暗以及寡營養(yǎng)。馬里亞納海溝是目前已知的世界上最深的地方，大部分水深在8000米以上，最大水深超過1萬米，機器人必須要耐得住海底強大的壓力。

水深1萬米的地方大氣壓大概是100兆帕，這是什么概念？1平方厘米要承受1噸的壓力，而1平方厘米是多大？也就是大家拇指指甲蓋的大小。指甲蓋大的面積要承受1噸重的壓力，恐怕任何物體到了深淵都會被壓成餅吧！所以我國的水下機器人，最主要的就是要解決它的耐壓問題，保證它能順利下潛到馬里亞納海溝的底部。其實早在1995年，科研團隊就制造出了我國的第一個6000米級的自主水下機器人，但從6000米到1.1萬米還有5000米的壓力難度等著去攻克。經(jīng)過很多次的試驗，方案推倒了重來，失敗了再重新做，終于，把機器人送到了深淵的底部，研究人員把這一過程笑稱為“走向深淵”。當(dāng)時，母船上的很多科學(xué)家都是第一次看到深淵的景象，感覺像回到了遠(yuǎn)古時代，回到了那個以前從來沒有人類去過的地方，看過通過光纖傳輸過來的深淵視頻，大家都非常興奮。

未來智能機器人送人類“回家”

做了這么多機器人，科研人員更多的時候在想：未來的水下機器人會是什么樣子？是遙控水下機器人ROV，還是自主水下機器人AUV，還是自主遙控水下機器人ARV？是它們3種的結(jié)合體，或是一種全新的機器人？一切皆有可能。但不管怎樣，都可以用一句話概括未來的機器人的發(fā)展方向——更深、更遠(yuǎn)、更強。更深和更遠(yuǎn)很好理解，就是機器人能在水下走得更深，能航行得更遠(yuǎn)?，F(xiàn)在去了馬里亞納海溝，那里水深1萬多米，以后機器人還將去更深的海域?，F(xiàn)在機器人可以航行上千公里，以后一定要航行得更遠(yuǎn)才行。至于更強，有很多方面的含義，比如，未來的水下機器人可以攜帶更強的作業(yè)工具，能夠完成更復(fù)雜的海底作業(yè)，甚至不用人來遙控，而是自主地完成任務(wù)。還有一種情況，就是完全自主的機器人攜帶機械手完成復(fù)雜的海底作業(yè)?；蛘呤欠律臋C器人，跨介質(zhì)的機器人，能夠在水下巡游、在水面航行、在空中飛行。要達(dá)到這樣的目的，最重要的是智能，不是做一個完全跟人類一樣智能的水下機器人，而是賦予機器人更高的智能，這些通過技術(shù)的發(fā)展是可以實現(xiàn)的。

機器人智能的標(biāo)志是什么？簡單說，就是通過它自身攜帶的傳感器感知水下的世界，通過這些傳感器或者計算機控制系統(tǒng)知道自己在哪兒、要到哪兒去，從而做出合情合理的決策，到了指定區(qū)域，知道該怎么開展工作，這些就是機器人智能的體現(xiàn)。這種智能可能體現(xiàn)在單個機器人上，也可能體現(xiàn)在一群機器人上，相同的機器人或不同的機器人通過合作完成復(fù)雜的水下作業(yè)任務(wù)。當(dāng)然，還有可能通過人的意念來控制機器人，讓它完成更為復(fù)雜的水下任務(wù)。所有這些，隨著技術(shù)的發(fā)展，在不久的未來都有可能成為現(xiàn)實，只不過這需要經(jīng)歷時間的磨煉，也需要科研工作者不斷地進行探索和追求。人類源自海洋，但是人類已經(jīng)無法回到故鄉(xiāng)。不過，今后借助水下機器人，人類一定能實現(xiàn)重返故鄉(xiāng)的夢想。