深海機(jī)器人：探索“地球最后的邊界”

文·圖/李偉

深海探測對于安全航行、創(chuàng)建氣候模型、鋪設(shè)海底電纜、發(fā)展海上風(fēng)電、保護(hù)海洋物種等都具有重大意義。隨著深海機(jī)器人的快速發(fā)展，人類正在不斷拉近與“地球最后的邊界”之間的距離。

深海機(jī)器人快速發(fā)展

10月25日，我國“探索二號”科考船攜“深海勇士”號潛水器，完成了大深度原位科學(xué)實(shí)驗(yàn)站在海底的布設(shè)試驗(yàn)?！疤剿鞫枴蹦軌蛑С稚詈?、深淵無人化智能裝備執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，可作為深海機(jī)器人的可靠“母船”。

據(jù)美國《連線》雜志報道，隨著各國深海機(jī)器人的快速發(fā)展，人類正在拉近與海底的距離。

中國的深海鋪纜機(jī)器人是具有代表性的實(shí)用型深海機(jī)器人。其成功入海測試標(biāo)志著中國深海機(jī)器人研發(fā)制造產(chǎn)業(yè)的崛起。這是一種智能化水下鋪纜、挖溝設(shè)備，額定功率為200馬力，由機(jī)器人主體、控制系統(tǒng)、吊放系統(tǒng)、纜車系統(tǒng)等4個部分組成。

深海機(jī)器人Aquanaut

深海鋪纜機(jī)器人具有大水深智能作業(yè)能力，可在水底行走，可實(shí)施懸浮機(jī)動，能接收精確導(dǎo)航定位信號，抗水流能力較強(qiáng)。它可在1500米深的海洋中進(jìn)行人力無法實(shí)施的海底光纜、電纜、管道等的鋪設(shè)作業(yè)。

深海鋪纜機(jī)器人采用“先鋪后埋”技術(shù)：一邊在海底行進(jìn)，一邊用高壓水流將泥沙沖開。隨著水流的噴射，一道深1.5米、寬0.4米的深溝不斷向前延伸。機(jī)器人通過壓纜裝置把線纜壓在溝內(nèi)，再用回填裝置對線纜溝進(jìn)行回填。

《連線》雜志還列舉了美國航空航天局（NASA）與General Mobile公司聯(lián)合開發(fā)的Aquanaut深海機(jī)器人。與NASA以往開發(fā)的太空機(jī)器人不同，Aquanaut采用全新設(shè)計，操作員可以通過電纜對其實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和密切監(jiān)控。

Aquanaut 堪稱“多面手”，可在水下完成各種任務(wù)。抵達(dá)海底后，Aquanaut的殼體打開，“鼻子”向上翻轉(zhuǎn)，露出攝像頭和其他傳感器。其兩條“手臂”可以靈活擺動，末端可安裝不同的工具。

在海上油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，相關(guān)設(shè)備需要頻繁接受檢查和維護(hù)；在海上風(fēng)能領(lǐng)域，預(yù)計到2030年全球?qū)⒂屑s2.5萬臺海上渦輪機(jī)投入使用，其維修和檢查的工作量很龐大；隨著野生魚類數(shù)量不斷減少，水產(chǎn)養(yǎng)殖——魚、蝦和其他海產(chǎn)品的養(yǎng)殖——產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L，大量“海底農(nóng)場”設(shè)施需要定期清潔和檢查——這些領(lǐng)域都是Aquanaut的服務(wù)目標(biāo)。

自今年初以來，General Mobile公司已將兩部Aquanauts投入應(yīng)用。在接下來的3年內(nèi)，該公司計劃再制造20部Aquanauts，以支持海洋風(fēng)能和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。

深海類人機(jī)器人

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道，深海機(jī)器人最具價值的應(yīng)用，就是替代人類操作員執(zhí)行海底探測任務(wù)。從這個角度看，類人機(jī)器人是深海機(jī)器人的一個重要發(fā)展方向。

斯坦福大學(xué)的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊推出的OceanOneK，是目前全球最先進(jìn)的深海類人機(jī)器人之一。通過遠(yuǎn)程操控，這種機(jī)器人能以最接近真人潛水的方式在水下1600米的深度作業(yè)，并最大程度地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

OceanOneK的一部分與人類相似，包括可以自如揮動的手臂。它頭上的兩只眼睛分別配備了獨(dú)立的攝像機(jī)。任何控制該機(jī)器人的技術(shù)人員，都能有一種身臨其境的感覺。

OceanOneK的觸覺系統(tǒng)、基于觸摸的反饋系統(tǒng)和立體視覺系統(tǒng)，發(fā)揮了驚人的作用，讓它在水下1000多米的地方能夠擁有接近人類的觸覺和視覺，還能與水中的物體互動，讓操作者也有“身處水下”的體驗(yàn)。

Seatrec公司開發(fā)的“浮子”

OceanOneK人形機(jī)器人

OceanOneK第一次執(zhí)行深潛任務(wù)，是2021年9月開始的地中海巡游。在法國馬賽附近，它分別探測了水下40米處的一架二戰(zhàn)時期的P-38飛機(jī)，以及水下124米處的一艘潛艇。在科西嘉島艾利亞，它搜索了水下334米處的一艘公元2世紀(jì)的羅馬沉船，接下來是意大利附近海域一艘沉沒的蒸汽船。

OceanOneK的海底探測試驗(yàn)有兩個目的：一是探索并向人們展示潛水員無法抵達(dá)的海底區(qū)域；二是證明人工智能裝備可以在深海實(shí)現(xiàn)觸覺、視覺，并與操作人員互動。OceanOneK項(xiàng)目在深海類人機(jī)器人和人機(jī)交互方面取得了重大突破，為海洋科考和水下工程創(chuàng)造了新的機(jī)遇。

斯坦福大學(xué)的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊計劃在世界各地的不同地點(diǎn)進(jìn)行考察，包括埋在深湖中的城市遺跡，以及人類無法抵達(dá)的深海中的沉船等。

在不遠(yuǎn)的將來，深海類人機(jī)器人將能夠代替人類在海底搜索并獲取更多材料，建造海底基礎(chǔ)設(shè)施，以及進(jìn)行災(zāi)難預(yù)防方面的探測和評估。

海上能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

配備傳感器的深海機(jī)器人可以幫助人類探測海底，以更快、成本更低的方式收集數(shù)據(jù)。但是，深海機(jī)器人往往依賴電池提供動力，并且須返回“母船”或岸邊基地充電，這使得它們難以探測更廣闊的海域。

為了解決這一問題，一批美國海洋學(xué)家創(chuàng)設(shè)了名為Seatrec的公司，開發(fā)出一種利用海洋“自然溫差”為深海洋機(jī)器人提供動力的技術(shù)。Seatrec公司開發(fā)的電源模塊由一種浮動設(shè)備搭載，這種設(shè)備被稱為“浮子”。當(dāng)“浮子”在海洋較冷和較暖的區(qū)域之間移動時，其內(nèi)置的材料在固態(tài)和液態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)化，繼而生成能量，可以為電源模塊充電。

“浮子”可以部署在廣闊的海域，支持深海機(jī)器人檢查海床的化學(xué)成分和形狀，使用聲吶繪制海底地圖。深海機(jī)器人不必返回岸邊基地獲取動力，只要找到“浮子”，即可更換電池。

“浮子”利用的是可再生能源，而且能夠長期在海上“值班”。從長遠(yuǎn)來看，這種能源供應(yīng)方式可以使深海機(jī)器人的使用成本降低到原來的五分之一。Seatrec公司計劃年產(chǎn)100 臺“浮子”，在海上布設(shè)能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

“海底2030”項(xiàng)目

人類對于海底的了解還很不全面，目前只繪制了全球約20%的海床地圖。由日本政府主導(dǎo)的“海底2030”項(xiàng)目的主管杰米·菲利普斯表示，深海機(jī)器人的發(fā)展對于繪制偏遠(yuǎn)海區(qū)海底地圖的工作來說至關(guān)重要。

與使用高空相機(jī)及衛(wèi)星繪制地球表面的地圖不同，因?yàn)楣怆y以穿透海水，所以只能利用聲吶系統(tǒng)繪制海底地圖。“海底2030”項(xiàng)目于2017年啟動，旨在利用先進(jìn)的深海機(jī)器人，在2030年前繪制完成全球海底地圖。

該項(xiàng)目尋求與各國的相關(guān)公司合作，通過使用配備聲吶、攝像機(jī)和激光探測器的深海機(jī)器人，以比傳統(tǒng)方法快10倍的速度實(shí)施海底調(diào)查，并在云平臺上共享、分析數(shù)據(jù)。

為加速實(shí)施海底調(diào)查，繪制海底地圖，“海底2030”項(xiàng)目與Seatrec公司建立了合作關(guān)系。在接下來的10年中，Seatrec公司將用3000個“浮子”為各種類型的深海機(jī)器人提供動力。“海底2030”項(xiàng)目已經(jīng)向Seatrec公司提供了200萬美元“種子資金”。

根據(jù)“海底2030”項(xiàng)目，200萬美元是全面實(shí)施海洋調(diào)查所需資金中的很小一部分。要實(shí)現(xiàn)最終的目標(biāo)，預(yù)估需要50億美元資金——這幾乎與火星探測項(xiàng)目所需的資金相當(dāng)。