什么是水下機(jī)器人,水下機(jī)器人長什么樣,水下機(jī)器人的用途是什么……對于許多普通大眾來說,水下機(jī)器人似乎還很陌生,其實(shí)它早已將人類的足跡延伸至萬米的大洋深處。
日前,在“向陽紅10”船上,中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研究員、我國首臺6000米深海水下自主機(jī)器人“潛龍一號”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、“潛龍二號”總設(shè)計(jì)師劉健,給正在執(zhí)行中國大洋第40航次任務(wù)的科考人員帶來了一道精彩的水下機(jī)器人科普大餐。
海底寶藏 勘探利器
眾所周知,占地球表面積71%的海洋擁有著豐富的資源。其中,國際海底區(qū)域總面積為2.517億平方公里,占地球表面積的49%,蘊(yùn)藏著礦物、能源、蛋白質(zhì)、生物基因等多種資源。同時(shí),海洋還有著重要的科學(xué)研究價(jià)值,在地球科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域具有重大意義。
“這就是研制發(fā)展水下機(jī)器人的意義所在,它們可以代替人類,探尋大海深處的寶藏和奧秘?!眲⒔≌f,“機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮,又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序,也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng),它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類進(jìn)行工作。那么,水下機(jī)器人就是一種可以在水下協(xié)助或者代替人完成某種任務(wù)的裝置?!?/p>
劉健介紹說,水下機(jī)器人可分為載人水下機(jī)器人(HOV)和無人水下機(jī)器人。其中,無人水下機(jī)器人又分為兩大類。一類是有纜水下機(jī)器人,習(xí)慣稱為遙控潛器(Remote Operated Vehicle,簡稱ROV);另一類是無纜水下機(jī)器人,習(xí)慣稱為自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle,簡稱AUV)。
“像大名鼎鼎的蛟龍?zhí)?,就是載人水下機(jī)器人,通常稱為載人潛水器。像此次‘向陽紅10’船上搭載的‘潛龍一號’和‘潛龍二號’就是無人無纜水下機(jī)器人?!眲⒔〗忉屨f,“載人潛水器顧名思義,就是人在艙內(nèi)操作潛水器,進(jìn)行水下工作;有纜潛水器就是操作人員通過電纜,在船上遙控潛水器在水下的運(yùn)行和工作;無纜潛水器則是按照預(yù)先設(shè)定的程序,自主完成海底作業(yè),智能化程度最高。”
發(fā)展迅速“戰(zhàn)功赫赫”
隨著人類從陸地向深海拓展,水下機(jī)器人的研制與應(yīng)用也得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。美國自1775年開始研制載人潛水器,至今已有200多年的歷史,1953年下潛深度就達(dá)到了3000米。1960年下潛到11000米。然而,由于研制和運(yùn)行成本巨大,且存在一定的危險(xiǎn)性,科研人員隨即把目光轉(zhuǎn)向了無人潛水器。
有纜潛水器(ROV)已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的歷史,應(yīng)用范圍較為廣泛,主要用于軍事、海洋石油、打撈救生、海底管線埋設(shè)和檢查、資源調(diào)查和科學(xué)研究、海洋漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、水庫大壩檢查、娛樂等,在潛器家族中,應(yīng)用最多、功能最強(qiáng)大、技術(shù)最成熟。
“但ROV受臍帶電纜限制,活動(dòng)范圍小,不能進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)物中;大深度的ROV電纜及水面支持設(shè)備龐大,增加制造成本,占用甲板空間大。為此,無纜的自主式水下潛器逐漸悄然興起?!眲⒔≌f,“AUV活動(dòng)范圍大,體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活,而且造價(jià)和運(yùn)行成本低,加之隱蔽性好,占用甲板空間小,可獨(dú)立于母船作業(yè),人的勞動(dòng)強(qiáng)度低,適宜集群使用?!?/p>
三種類型的水下機(jī)器人均為人類在探索深海大洋中立下了赫赫戰(zhàn)功。例如全世界下潛最多的潛水器“阿爾文”號曾經(jīng)在地中海850米深的海底找到了一顆遺失的氫彈,1985年成功找到沉睡多年的“泰坦尼克”號;日本研制的“海溝”號1997年在關(guān)島附近成功地下潛到10911米深的馬里亞納海溝底部,從海底采回的泥漿中發(fā)現(xiàn)180種微生物;號稱“黑匣子搜索神器”的美軍“藍(lán)鰭金槍魚”號曾潛入南印度洋搜尋馬航失聯(lián)客機(jī)MH370的下落,它就是自主式水下潛水器……
三龍鬧?!备黠@神通
我國水下機(jī)器人研制是從上個(gè)世紀(jì)七八十年代開始的。我國首臺水下機(jī)器人“海人一號”由中科院沈陽自動(dòng)化研究所1986年研制成功。目前,中國已經(jīng)建立了以蛟龍?zhí)栞d人潛水器、“海龍”號無人有纜潛水器和“潛龍一號”無人無纜潛水器為代表的大洋勘探“龍家族”。
蛟龍?zhí)柡蘸沼忻?,可載人下潛至7000多米,可以在全球99.8%的海底實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的海底航行、海底照相和攝像、沉積物和礦物取樣、生物和微生物取樣、標(biāo)志物布放、海底地形地貌測量等作業(yè)。
“海龍”號ROV下潛深度達(dá)3500米,主要用于大洋海底調(diào)查活動(dòng),包括海底熱液礦物取樣、大洋深海生物基因和極端微生物的研究,以及探索人類起源的秘密等。同時(shí)也可用于海洋石油工程服務(wù),水下管道、電纜檢測維修等各種水下作業(yè)。
“潛龍”系列目前有“潛龍一號”和“潛龍二號”兩臺水下機(jī)器人。與“蛟龍”號及“海龍”號相比,“潛龍”系列可以真正實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主作業(yè)以及自我保護(hù)?!膀札垺碧柛m合于定點(diǎn)或小區(qū)域作業(yè),而“潛龍”的工作范圍更大。
“潛龍一號”是我國自主研制的首個(gè)6000米水下無人無纜潛器,長4.6米、直徑0.8米、重1500公斤的回轉(zhuǎn)體,最大工作水深6000米,巡航速度2節(jié),最大續(xù)航能力24小時(shí),配有淺地層剖面儀等探測設(shè)備。它可完成海底微地形地貌精細(xì)探測、底質(zhì)判斷、海底水文參數(shù)測量和海底多金屬結(jié)核豐度測定等任務(wù)。
據(jù)悉,“潛龍一號”于2011年11月啟動(dòng)研制;2013年3月和5月通過湖上試驗(yàn)和海上試驗(yàn),累計(jì)下潛7次,最大下潛深度4159米;2013年10月,執(zhí)行了首次應(yīng)用任務(wù),標(biāo)志著中國深海資源勘察裝備實(shí)用化改造取得重大進(jìn)展。
“潛龍二號”是4500米級深海資源自主勘察系統(tǒng),能進(jìn)行海底照相、微地形地貌測量、熱液異常探測。
“‘潛龍二號’是在‘潛龍一號’的基礎(chǔ)上,針對多金屬硫化物探測的不同需求研制的。它采用全新非回轉(zhuǎn)體立扁形設(shè)計(jì),更適應(yīng)我國西南印度洋多金屬硫化物合同區(qū)復(fù)雜的海底地形,上下更自如。而‘潛龍一號’回轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)比較適合較為平坦的海底地形,它以太平洋底多金屬結(jié)核調(diào)查任務(wù)為目的,兼顧其他多種深海資源的勘探和開發(fā)需求,為海洋科學(xué)研究及資源開發(fā)提供數(shù)據(jù)?!眲⒔「嬖V記者。
由于體積小、行動(dòng)靈活,AUV適宜集群使用,此次“向陽紅10”船正是搭載了“潛龍一號”“潛龍二號”兩個(gè)潛水器,進(jìn)行一艘大船支撐兩個(gè)潛水器的嘗試。劉健說,未來還可以發(fā)展到一艘母船支撐四五個(gè)潛水器,提高效率、節(jié)約資源。(中國海洋報(bào)特派記者 崔鯨濤)