海洋技術(shù)裝備研究室： 探尋海底深處的秘密
以前我們國(guó)家沒(méi)有水下機(jī)器人，去不了北極的冰層下，都是通過(guò)定點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)法反映出海冰吸收的太陽(yáng)輻射能的空間變化。現(xiàn)在我們能下去了，達(dá)到了這個(gè)平臺(tái)，到達(dá)一個(gè)未知的領(lǐng)域。這樣就可以得到一些更有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析科學(xué)問(wèn)題，解釋科學(xué)現(xiàn)象。
海洋是地球生命的搖籃，大洋深處孕育著無(wú)窮奧秘和豐富資源，人類(lèi)探索海洋的渴望和努力從未停歇。海洋科考離不開(kāi)高科技手段支撐，也離不開(kāi)尖端裝備的支持。
中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所海洋技術(shù)裝備研究室是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展水下機(jī)器人技術(shù)研發(fā)，并以此為核心研究方向的專(zhuān)業(yè)海洋技術(shù)裝備研發(fā)團(tuán)隊(duì)，主要從事海洋技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究、海洋裝備研發(fā)與推廣、海洋工程服務(wù)等工作。
水下機(jī)器人大顯身手
2014年，對(duì)海洋技術(shù)裝備研究室來(lái)說(shuō)，是非同尋常的一年。深海滑翔機(jī)、“龍珠”號(hào)搭載“蛟龍”號(hào)試驗(yàn)、中國(guó)第六次北極科考中北極自治遙控潛水器（ARV）的應(yīng)用，讓人們把目光聚焦在他們研發(fā)的水下機(jī)器人上。
今年7月，“龍珠”號(hào)搭載“蛟龍”號(hào)載人潛水器，在西北太平洋采薇海山海區(qū)開(kāi)展深海試驗(yàn)應(yīng)用，并首次獲取了“蛟龍”號(hào)在大洋深處的工作影像。
“龍珠”號(hào)是國(guó)家“863”計(jì)劃資助下自主研制的深海微型水下機(jī)器人，空氣中重量?jī)H有40公斤，配有3部電動(dòng)推進(jìn)器，通過(guò)一根光纖與“蛟龍”號(hào)相連，由“蛟龍”號(hào)球艙內(nèi)的潛航員遙控控制，并且自帶攝像機(jī)，可進(jìn)行水下觀察和錄像，與“蛟龍”號(hào)互補(bǔ)形成更全面的觀測(cè)能力。
在水下工作期間，“龍珠”號(hào)與“蛟龍”號(hào)按照預(yù)先規(guī)劃的協(xié)同作業(yè)流程“分工協(xié)作”“默契配合”，完成了相互之間互動(dòng)拍攝、“龍珠”號(hào)的釋放與回收等預(yù)定工作任務(wù)，也驗(yàn)證了兩種不同類(lèi)型的潛水器在水下優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同作業(yè)的新模式。
海洋技術(shù)裝備研究室主任李碩介紹，水下機(jī)器人有一個(gè)龐大的“家族”，其中載人潛水器（HOV）、有纜潛水器（ROV）、無(wú)人自治潛水器（AUV）和自治遙控潛水器（ARV）是目前四類(lèi)最重要的潛水器。
深?；铏C(jī)是水下無(wú)人自治潛水器的代表，是一種新型無(wú)人水下觀測(cè)系統(tǒng)，主要由衛(wèi)星鏈路控制其工作。水下工作時(shí)的滑翔機(jī)完全處于自主工作方式，具有制造成本和維護(hù)費(fèi)用低、可重復(fù)使用、并可大量投放等特點(diǎn)，滿(mǎn)足了長(zhǎng)時(shí)間、大范圍海洋探索的需要。
李碩告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，水下機(jī)器人的家族成員各有千秋?！癛OV的優(yōu)點(diǎn)是水面操作人員可實(shí)時(shí)觀察到水下環(huán)境并遙控操作，對(duì)機(jī)器智能要求不高，缺點(diǎn)是由于電纜連接，其活動(dòng)范圍有限；AUV的優(yōu)點(diǎn)是由于沒(méi)有電纜連接，其活動(dòng)范圍較大，不受母船制約，不足是對(duì)機(jī)器智能要求較高，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差；ARV是介于AUV和ROV之間的潛水器，國(guó)外也有稱(chēng)作混合ROV的，其自帶能源，通過(guò)很細(xì)的光纖連接，其活動(dòng)范圍介于AUV和ROV之間，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，通常可完成簡(jiǎn)單輕作業(yè)功能。既可以自治大范圍連續(xù)觀測(cè)，也可以精確遙控精細(xì)觀測(cè)，北極ARV就是ARV技術(shù)在北極的一種成功應(yīng)用。”
北極ARV助力科考
據(jù)介紹，北極ARV水下機(jī)器人在北極協(xié)助科考人員考察方面，發(fā)揮了重要作用。
7月11日，北極ARV搭乘“雪龍”號(hào)科考船從上海前往北極執(zhí)行我國(guó)第六次北極科考任務(wù)。這并不是北極ARV第一次探尋“冰世界”。
它曾先后參加我國(guó)第三、四次北極科考，在高緯度下實(shí)現(xiàn)了對(duì)冰下海冰物理特征、水文和光學(xué)特性等的自主精確同步觀測(cè)，為我國(guó)北極科考提供了一種大范圍的先進(jìn)、連續(xù)、實(shí)時(shí)的冰下觀測(cè)技術(shù)手段。
李碩介紹：“北極的海冰在不斷地移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，為得到精確的冰下位置信息，須將海冰的運(yùn)動(dòng)信息反饋到機(jī)器人上，以獲取精確的導(dǎo)航信息。這些需要不斷地完善改進(jìn)，每一次北極探險(xiǎn)后，北極ARV都會(huì)變得更加完善?！?/p>
改造后的北極ARV更加“小巧玲瓏”，其體積和重量均減少一半，有助于在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)設(shè)備的吊裝和運(yùn)輸；同時(shí)將推進(jìn)器方位進(jìn)行了重新布置，增強(qiáng)了航行的機(jī)動(dòng)性，使其在冰下航行更加靈活，更便于冰洞下潛與回收。
未來(lái)平臺(tái)更廣闊
“北極海冰融化對(duì)我國(guó)氣候有著一定的影響。我們北極科考的主要目的，就是了解北極海冰快速融化的機(jī)理?！崩畲T說(shuō)。
新一代北極ARV通過(guò)水下機(jī)器人攜帶光通量測(cè)量?jī)x的觀測(cè)，可連續(xù)測(cè)量出海冰吸收的太陽(yáng)輻射能的空間變化，估算出同緯度更大范圍海冰對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收，以此計(jì)算出太陽(yáng)輻射對(duì)該緯度北極海冰融化的貢獻(xiàn)。
另外，通過(guò)水下機(jī)器人測(cè)量得到的冰厚圖,可以反映出冰底的粗糙度，從而分析出海水對(duì)冰的影響等。李碩透露：“在未來(lái)，我們將根據(jù)科考需求，進(jìn)一步增大作業(yè)范圍，增加部分搭載設(shè)備以及機(jī)器人功能。預(yù)計(jì)2016年進(jìn)行的我國(guó)北極科考，北極ARV還將積極爭(zhēng)取參與?！?/p>
對(duì)于研究室的成員來(lái)說(shuō)，北極ARV不僅僅是一個(gè)設(shè)備，更是一個(gè)通往更高科學(xué)道路的平臺(tái)。
“以前我們國(guó)家沒(méi)有水下機(jī)器人，去不了北極的冰層以下，都是通過(guò)定點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)法反映出海冰吸收的太陽(yáng)輻射能的空間變化?，F(xiàn)在我們能下去了，達(dá)到了這個(gè)平臺(tái)，到達(dá)一個(gè)未知的領(lǐng)域。這樣就可以得到一些更有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析科學(xué)問(wèn)題，解釋科學(xué)現(xiàn)象。”李碩說(shuō)。
對(duì)于未來(lái)，李碩認(rèn)為：“無(wú)人化、信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的水下機(jī)器人是未來(lái)的發(fā)展方向。北極探險(xiǎn)只是開(kāi)始，南極、海洋深處等未知的領(lǐng)域會(huì)逐漸地熟悉，在未來(lái)，水下機(jī)器人會(huì)有更廣闊的空間?！保ㄓ浾吲砜品?實(shí)習(xí)生張雅琪）