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海底|国产自主水下机器人从追赶到并跑

■采访人员 沈春蕾
比人还大的“小丑鱼”你见过吗？在中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈阳自动化所）就有这样一条“小丑鱼” ， 长3.5米、高1.5米、重1.5吨 。 它的全称是“潜龙三号”4500米级自主水下机器人 ， 曾因“小丑鱼”尼莫的外形一度走红 。
据悉 ， “潜龙”系列自主水下机器人家族共有4个成员 ， 先后在太平洋、大西洋、印度洋等海域执行大洋航次 ， 为我国开展深海资源矿区自主勘探作出了重要贡献 。 其中 ， “潜龙二号”累计下潜59次 ， 居家族成员榜首 。
“潜龙二号”“潜龙三号”总设计师、沈阳自动化所研究员刘健向《中国科学报》介绍：“‘潜龙’系列诞生于‘十二五’和‘十三五’期间 ， 但我们团队在自主水下机器人领域的探索研究进行了几十年 ， 最终完成国产深海自主水下机器人从无到有、从追赶到并跑 。 ”
日前 ， “潜龙”系列深海自主水下机器人研发及应用团队获得2021年度中国科学院科技促进发展奖 。
“核心技术花钱买不到”
深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏 ， 是人类谋求未来生存与发展的重要战略新疆域 。 深海矿产资源被认为是21世纪最重要的陆地矿产接替资源 ， 作为人类尚未开发的宝地和高技术应用领域之一 ， 已经成为各国的重要战略目标 。
自2001年起 ， 我国陆续获得了包括多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳等3种资源类型在内的5个大洋海底勘探合同区 ， 有效拓展了国家战略资源的新来源 。 随着这些矿区勘探合同的签订 ， 高精度、高效的深海探测装备需求也随之出现 。 自主水下机器人作为一种可在水下长时间自主探测的无人无缆潜水器 ， 是人们认识、开发、利用和保护海洋的高新技术手段 。
据了解 ， 深海自主水下机器人通过搭载多种类的探测载荷 ， 可进行海底地形地貌、地质结构、海底流场、海洋环境参数等大范围、全覆盖、高精度探测 。 但是 ， 世界上具备这种能力的深海自主水下机器人为数不多 。
“我国早期曾租用过一台国外的深海自主水下机器人 ， 不仅价格昂贵 ， 而且全程操控由外方人员完成 。 ”刘健说 ， “我国也曾尝试从国外进口设备 ， 但当具体落实时 ， 却被无限期推迟 。 近些年 ， 国外对我们的限制更严格了 。 ”
“既然核心技术花钱买不到 ， 那我们就自己干 。 ”刘健回忆 ， 在国家和部委项目的支持下 ， 沈阳自动化所联合国内优势单位 ， 开始研制“潜龙”系列深海自主水下机器人 。
从原理样机到实用机型
早在2000年 ， 刘健就带领团队着手研制“潜龙”系列水下机器人 ， 他是“潜龙一号”课题负责人 。 在“潜龙一号”湖试之后 ， “潜龙二号”的研制就提上了日程 。
【海底|国产自主水下机器人从追赶到并跑】“潜龙”项目团队成员之一、沈阳自动化所研究员徐会希接过“潜龙一号”总设计师的重任 。 “在这之前 ， 我们研制的浅水型自主水下机器人居多 。 我们参加‘潜龙’项目以后发现 ， 从浅水到深水技术需求不一样 ， 在强化设备实用性方面有待进一步摸索 。 ”徐会希告诉《中国科学报》 。
自2011年底立项以来 ， “潜龙一号”完成设计调试后 ， 先后经历了实验室测试、湖试、海试和航次应用 。 徐会希全程见证了“潜龙一号”的成长 ， 一次次试验也让徐会希胸有成竹 。
抛绳、捞绳、回收、获取地形图……2013年10月1日至12日 ， “潜龙一号”在太平洋下潜7次 ， 于5000多米多金属结核详细勘探区近海底潜行作业近30小时 ， 完成声学微地形地貌调查测线任务 。
“潜龙二号”的研制也在紧锣密鼓的进行中 。 不同于“潜龙一号”圆柱形外形 ， “潜龙二号”在外形上更像一条立扁形鱼 。 在外观上 ， “潜龙二号”和“潜龙三号”是一对“双胞胎兄弟” 。
这种设计并非单纯为了追求好看 。 “非回转体立扁鱼形设计 ， 依据的是水动力优化计算的结果 ， 有利于它在复杂海底地形垂直面爬升 ， 同时具备水面航行能力 。 ”刘健介绍称 ， “虽然‘潜龙二号’和‘潜龙三号’设计的水深等级只有4500米 ， 但面对的海底地形更复杂 ， 整个海底作业几乎是在爬山和下山中完成的 。 ”
2019年 ， “潜龙三号”在大西洋应用成功 ， 标志着我国深海勘探型水下机器人步入实用化、常态化阶段 。
深海资源勘探国产利器
“潜龙”系列深海自主水下机器人是具有微地形地貌测量、海底照相、水体异常探测、磁力探测等功能的深海资源自主勘探系统 ， 不仅填补了我国深海资源自主勘探的空白 ， 还在某些性能指标上领先于国外的深海自主水下机器人 ， 成为我国自主勘探深海资源的利器 。
以“潜龙三号”为例 ， 科研人员放弃了传统的测距声呐 ， “因为海底石林视角小 ， 测距声呐很难准确判断周围环境” 。 刘健介绍 。
在实际海底作业过程中 ， “潜龙三号”用前视声呐感知前方障碍物 ， 结合惯导系统 ， 计算自己所处的位置 ， 根据高度计感知的高度信息、深度计感知的深度信息 ， 按照规定的航行路径航行 ， 同时正确打开或关闭各个探测设备 ， 在一片漆黑的深海自主“翻山越岭” 。 “潜龙三号”航行期间 ， 还可将其位置及工作状态等信息通过背部的声通信系统发送至母船 。
多金属硫化物资源是海底热液活动的产物 ， 海底热液区包括活动热液区与非活动热液区 。 “潜龙三号”在鱼尾处内置了磁力仪 ， 这对多金属硫化物资源勘探格外重要 。 刘健表示：“针对热液沉淀会引起海底磁异常改变的特性 ， 三分量磁力仪能帮助发现活动热液区、非活动热液区 ， 成为多金属硫化物资源勘探重要设备 。 ”
尽管“潜龙”系列每次都成功完成了任务 ， 但布放和回收一直让人提心吊胆 。 “海上作业窗口期短暂 ， 存在很多不确定因素 ， 这么贵的设备一旦出现意外 ， 损失不可挽回 。 未来我们希望可以在海底建设基站 ， 实现集群探测 ， 让装备更好地服务于深海资源探测 。 ”刘健说 。
据徐会希介绍 ， “潜龙四号”是中国大洋协会采购的产品化6000米自主水下机器人 ， 是一款面向用户应用需求的定制化自主水下机器人产品 。 其主要技术指标较“潜龙一号”有较大幅度提升 ， 可靠性更好 。 2020年 ， “潜龙四号”首次执行大洋调查任务 。
目前 ， “潜龙三号”“潜龙四号”已经移交给应用单位 。 “潜龙一号”“潜龙二号”的升级改造已经接近尾声 ， 之后也将交付 。 “潜龙”系列水下机器人的持续应用必将为我国深海矿产资源调查作出更大的贡献 。
“我们深刻意识到 ， 提高海洋资源开发能力是建设海洋强国的重要表征之一 。 作为肩负建设海洋强国使命与重任的海洋研究领域‘国家队’ ， 我们将潜心研发 ， 持续攻克水下机器人装备的核心关键技术 ， 让智能化装备更加高效地服务于我国深海资源勘探 。 ”沈阳自动化所副所长李硕对《中国科学报》表示 。

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