本報記者 吳月輝

　　歷經(jīng)1.4萬海里、79天的風浪考驗，中國第十二次北極科學考察隊圓滿完成了任務。日前，隨著“雪龍2”號科考船緩緩停靠上海國內(nèi)基地碼頭，科考隊成員邵剛連日來緊繃著的神經(jīng)也逐漸放松。

　　在這次科考中，他和3名同事負責的“探索4500”自主水下機器人(以下簡稱“探索4500”)表現(xiàn)出色，成功完成北極高緯度海冰覆蓋區(qū)的科學考察作業(yè)。這也是我國首次利用自主水下機器人在北極高緯度地區(qū)開展近海底科考應用，其成功下潛獲取的寶貴數(shù)據(jù)資料，將為北極環(huán)境保護提供重要的科學支撐。

　　科考人員在甲板上做布放準備。中國科學院沈陽自動化研究所供圖

　　首闖北極

　　為應對極地惡劣環(huán)境，科技人員對它進行了一系列的技術升級、改造

　　邵剛是中國科學院沈陽自動化研究所的副研究員，這是他第一次參加極地科考。和他一樣，“探索4500”也是第一次出征極地。

　　沈陽自動化研究所主持研制的“探索4500”，外觀酷似一條“大黃魚”。和普通的無人水下機器人相比，“探索4500”的自主能力更強。

　　沈陽自動化研究所副研究員李陽告訴記者：“相較于遙控水下機器人，‘探索4500’沒有纜線與母船連接，不需要人工干預就能夠?qū)崿F(xiàn)自主航行和執(zhí)行探測，續(xù)航時間更長，工作范圍也更大。”

　　盡管“探索4500”本領已足夠強大，但要去極地惡劣環(huán)境闖蕩，科研人員們還是不太放心。在出發(fā)前，他們又對它進行了一系列的技術升級、改造，全面提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　在極地高緯度地區(qū)，科考母船會因為風、流等相互作用發(fā)生位移，致使水下機器人的布放和回收難以在一個相對固定區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)，冰層也會阻礙母船和水下機器人之間的通信。“這些都要求水下機器人擁有自主導引能力，能夠準確接收母船指令，并根據(jù)自身設備的狀態(tài)調(diào)整運行軌跡，在回收過程中逐漸向母船靠攏，從而實現(xiàn)自動、安全回收。”邵剛介紹。

　　針對此次北極科考工作區(qū)高密集度海冰覆蓋的特點，科研團隊創(chuàng)新性地研發(fā)了聲學遙控和自動導引相融合的冰下回收技術，確保“探索4500”連續(xù)下潛成功，并能安全回收。邵剛說：“我們還增加了應急信標，用于潛器上浮后卡在冰層下或肉眼無法確定位置時，進行較為準確的方向定位。”

　　此外，科研團隊還對“探索4500”的故障處理流程進行了優(yōu)化，讓它自主判斷自身當下的狀態(tài)，從而做出決策。“機器人在持續(xù)工作一段時間后，就能夠像我們?nèi)祟愐粯痈杏X自己身體狀態(tài)如何。”邵剛說，“如果覺得自己‘精神頭’還不錯，就會繼續(xù)干活；如果覺得不太好了，它就會立即向我們發(fā)出求救信號，我們馬上會去幫助它。”

　　經(jīng)受考驗

　　極地天氣瞬息萬變，“探索4500”布放和回收都很安全

　　雖然已經(jīng)做好了充分的準備，但極地天氣瞬息萬變，科考隊員們和“探索4500”在北極還是經(jīng)歷了意想不到的困難和考驗。

　　在一次作業(yè)前，原定的下潛區(qū)域氣溫驟降，風雪交加，能見度非常差。“當時，我們母船距離這個工作區(qū)有十幾海里，在航行過程中我一直非常忐忑，擔心無法正常完成設備布放。”邵剛回憶。

　　當母船到達下潛區(qū)域時，天氣開始轉(zhuǎn)晴，但之前的降溫和暴風雪讓海面迅速結(jié)冰，水域范圍比之前縮小了很多，給機器人的布放和回收增添了極大的困難和風險。

　　機器人無處下“腳”，科考任務時間緊迫又不能耽誤，怎么辦？最后，邵剛和同事們決定利用母船進行破冰，人工開辟了一塊可以布放水下機器人的水域環(huán)境。邵剛說：“破冰開出的水域范圍非常小，其實不利于我們對水下機器人的回收。幸運的是，最終我們完成了布放與安全回收，也證明了‘探索4500’具備在極地惡劣環(huán)境下開展科考應用的能力。”

　　極地海洋的許多區(qū)域長年被海冰覆蓋，對海冰特征和冰下海域進行考察是極地考察的重要組成部分。沈陽自動化研究所副所長李碩介紹，極地科考一直是水下機器人發(fā)展的重點方向。近些年來，沈陽自動化研究所先后有4種類型6臺套無人水下機器人參加了8次極地科考，為我國極地科考作出了重要貢獻。

　　“自主水下機器人在極地科考中主要承擔三方面的任務。”李陽說，“一是對浮冰的觀察和探測，了解其厚度、狀態(tài)以及運動情況等；二是測量水體參數(shù)，包括水的深度、溫度、鹽度等；三是進行海底地形地貌的精細探測，在此基礎上也可以發(fā)現(xiàn)海底的一些礦產(chǎn)資源。”

　　傳統(tǒng)的海冰考察方法，是在海冰上鉆孔，這種方法效率比較低，而且獲得的數(shù)據(jù)有限，具有很大的局限性。自主水下機器人則不受海冰的影響，可以到達一些人無法到達的區(qū)域，更大范圍、更大深度以及更長時間地進行科學考察。而且，取樣靈活準確，有助于提高采集樣品的質(zhì)量，增加樣品采集數(shù)量。

　　“科考人員可以通過水下機器人上安裝的攝像機、照相機以及成像聲吶等成像設備，直觀地觀察極地的水下世界。”李陽說。

　　李碩說：“本次將自主水下機器人應用于北極科考任務，讓我們更加了解科學家們對于智能機器人技術的需求。科研團隊將以此為起點，將技術創(chuàng)新與科學需求緊密銜接，不斷優(yōu)化和升級，為今后開展北極科考更大面積的探測作業(yè)提供更加智能的技術手段，助力科學家獲得更多有價值的數(shù)據(jù)和信息。”

　　“探索4500”自主水下機器人回收過程中。中國科學院沈陽自動化研究所供圖

　　功能先進

　　可達萬米之深，可到幾千公里之遠，應用領域越來越廣泛

　　早在20世紀70年代，一些國家就開始研發(fā)用于極地考察的無人水下機器人，目前已有多種類型，主要包括遙控式(有纜)和自主式(無纜)兩種。

　　李陽介紹，我國從20世紀80年代開始進行水下機器人的研發(fā)，當時沈陽自動化研究所是主要的研發(fā)單位之一。“但極地科考水下機器人的飛躍發(fā)展主要是在近10多年，這期間我們先后研發(fā)出‘海極號ROV’‘北極ARV’和‘探索AUV’等水下機器人，參加了多次極地科考，都實現(xiàn)了成功應用。”

　　近年來，面向國家重大需求，沈陽自動化研究所一直致力于推動水下機器人的譜系化發(fā)展，如今從深度上已經(jīng)實現(xiàn)了從水面到水下1.1萬米全覆蓋，航程上也實現(xiàn)了幾公里到幾千公里全覆蓋。“我們團隊主要還是側(cè)重于無人水下機器人的研發(fā)與應用，目前我國無人水下機器人在主要功能和性能指標方面，都已經(jīng)達到國際先進水平。”李陽說。

　　隨著水下機器人譜系化發(fā)展，其應用領域也越來越廣泛，面臨的作業(yè)環(huán)境也越來越極端和復雜。李陽告訴記者，除了極地外，目前他們還在青藏高原的高原湖、太平洋的馬里亞納海溝持續(xù)開展科學考察。“這些都是非常極端和復雜的環(huán)境，對無人水下機器人的自主控制技術提出了很高的要求。我們需要在有限的空間搭載更多的傳感器，這對總體的布局和電池的兼容性都提出了重大挑戰(zhàn)。”

　　未來，世界自主水下機器人的發(fā)展將朝著更智能化的方向發(fā)展，具備更強的環(huán)境適應性和更強的協(xié)同作業(yè)能力。

　　“我們原來的自主水下機器人大多是屬于預編程式的，在下水之前科研人員已經(jīng)提前給它預設好程序，告訴它目標和行走的路徑。”李陽表示，將來隨著智能化的發(fā)展，人為介入將越來越少，自主水下機器人會變得越來越聰明，發(fā)揮的作用越來越大。