水下机器人15年,从浅海到深渊

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抬头望星空,浩瀚、宁静且充满奥秘,低头探海洋,如天空般蔚蓝、如宇宙般深邃。海洋是一片神秘的领域,自古以来,有关海洋的传说不计其数,我们都向往大海,但大多时候只能在岸边欣赏其美,水下的世界仍旧充满未知。随着科技的发展,人类在不断加深对海洋的探索,揭开海洋的神秘面纱。今天,在SELF讲坛,来自中科院沈阳自动化研究所的李一平研究员,带我们巡游海洋最深处,回到生命的故乡。

大家下午好。我是来自中国科学院沈阳自动化研究所的李一平。很高兴有这样的机会跟大家分享我们研制水下机器人的经历。我本人从事的专业是水下机器人研究,所以大家可能听起来感觉比较酷,我自己也觉得这是挺有趣的一件事情。

过去的几年中我们做了一些工作,通过媒体的报道,大家可能也有所耳闻,今天我们请水下机器人作为主角,带大家去看一看水下到底是怎样的奇妙世界。

说到水下机器人,大家可能更多是通过媒体来了解,比如2016年,我们研制的“海斗”号下潜到了马里亚纳海沟,挑战深渊的最深处——海沟的底部,当时大家都觉得,中国人终于造出了能够到达海洋最深处的水下机器人。

我们首先要讲一讲它的特点。通常,我们说水下机器人的发展有60年的历史,这主要指世界水下机器人的发展历史,对于中国,我们大概经历了30多年的水下机器人发展过程。水下机器人主要分成两种:遥控水下机器人和自主水下机器人。

对于遥控水下机器人,需要电缆将它和母船进行连接,母船通过电缆为它提供能源,它通过电缆向母船回传获得的数据。整个过程中因为有母船的支持,所以它不会跑得很远,也正因此,它只能在水下的一个小范围,或者局部范围内做定点观测。

通过这些图,大家可以看到水下机器人在水中巡游时拍到的一些水中生物的情况。对于大型的遥控水下机器人,有时我们会给它装上机械手,以便它在水下进行取样作业。

下图显示的是我们在2017年研制出的我国第一台6000米级的遥控水下机器人,当时,它在水深5600米的地方布放了一个标志物和一面国旗。那时我们觉得这个机器人是能够下潜到6000米级深度的唯一一个遥控水下机器人,所以我们在那个地方布置了一个标志物,表明我们曾经到达过这里。

另外一种是自主水下机器人,也是我加入团队时开展研制的一类水下机器人。我们从20世纪90年代初期开始研制自主水下机器人,到现在经历了20多年的时间。

这类水下机器人最大的特点是没有脐带电缆的约束,可以在海中走得更深更远,所有的能源通过体内携带的电池提供,所以我们在设计的时候,要让它的外形呈良好的流线型,保证它在水中走得更深更远。

自主水下机器人还有一个特点,正是因为它没有和母船连接的电缆,所以获取的数据需要等它回来才能导出,也就是说,我们不能实时获得数据。

做过这两类机器人后,我们想,能不能做一种新型机器人,代替我们去更远的未知海域。遥控水下机器人(ROV)有电缆的约束,自主水下机器人(AUV)没有电缆的约束,但数据不能实时传输。

所以我们想能不能研制一种新型机器人,既可以大范围运动,也可以在局部范围内做精细的观测。这就是我们最初提出自主遥控水下机器人设计理念的雏形,我们把这种新型水下机器人叫作ARV,它的英文名字来源于ROV和AUV。

引发我们这个想法的还有一件事。2003年,我国一台遥控水下机器人去北极进行了一次观测活动,是我国机器人历史上比较重要的一件事情,意味着我们开拓了新的应用领域。

机器人从北极返回后,我们就在想它还有哪些不足、还要做哪些改进。那时我们想能不能把那根电缆去掉,或者以另外一种电缆的形式呈现。基于此,我们提出了ARV的设计想法,我们想到用光纤来代替原本很粗的脐带电缆,有限的范围内可以装更长的光纤,保证机器人走得更远。

回想起来,从最初有这样的想法到最后在极端环境下的应用,实际上经历了15年的时间,这张图显示了我们研制水下机器人的时间线。2001年,我们在张艾群主任的建议和支持下,申请到了创新基金项目,研制一个遥控水下机器人和自主水下机器人都能用得到的小型控制系统。

水下机器人的核心实际就是计算机的控制系统,所以我们想做一个能够在刚才说到的两种机器人,甚至未来全新的机器人上都可以用得到的控制系统。我们用了将近两年的时间,利用一个旧的遥控水下机器人平台帮我们实现了这样的想法。

后来,我们又申请到了同样的项目,来做新型ARV关键技术验证平台。对于ARV这种混合式机器人来讲,亟待解决的核心问题有很多,其中最重要的一个就是替代电缆的光纤。

当时,我们访问了光纤的生产厂家,告诉他们想要做什么样的水下机器人,希望能够在水下机器人上搭一根光纤,他们也讲了光纤的生产过程。不过,当时的光纤主要应用在通讯领域,没有在水下机器人身上应用过。

他们还带着我们做了一些试验,我们也测试了光纤的拉力及其他相关参数。经过不断地试验,最终在2005年,我们把设想的混合式机器人做出来了。紧接着,我们在水库进行了湖上试验,来验证这种机器人能不能自由航行,或者说它还有哪些问题需要改进。

在后续的这些年里,我们不断地探索,不断地失败,不断地寻找新的解决方案,最终做了五型的机器人,让它在极端环境,比如北极、马里亚纳海沟都得到了实际应用。

现在我们来谈一谈这种混合水下机器人(ARV)是如何在北极和马里亚纳海沟工作的。

说到北极,大家可能想到的就是被海冰覆盖着的、白雪茫茫的一片冰雪世界。的确,北极是一个冰的世界,但厚厚的海冰下是一片海洋。

水下机器人在北极得到应用,要面临几个挑战。极地是一个高寒地区,水下机器人所有的元器件都要耐得住低温;极地还是一个高纬度地区,在北极极点,所有的导航设备、磁的设备都会失灵。

还有一个挑战,北极的海冰并不是固定在海面不动的,海冰随着时间在漂移,所以你今天到的地方,明天如果想再去,没有好的导航系统帮助,你可能就去不了了。

但是,科学家们希望我们能够让水下机器人在北极看一看海冰的分布情况,因为极地气候是导致全球气候变暖的主要因素,科学家们想通过研究极地海冰融化的速度来了解它对全球气候的影响。

机器人做出来之后,我们一共参加了三次北极科考。2008年,第一型的北极ARV系统完成研制工作。因为9月份“雪龙”号要前往北极,所以春天我们已经将机器人成功研制出来了。接着,我们在水库进行了模拟海冰情况的湖上试验。当时在国内我们找不到有像北极海冰那么厚的冰的海域,所以只能通过湖上试验来测试机器人的系统。

但机器人到了北极具体该怎么用,我们却拿不太准,毕竟连人类都很少去北极。考虑到大家没有在北极使用水下机器人的实操经验,第一次用的时候,我们找了一个相对开阔的海域,通过“雪龙”号搭载的“中山”艇把机器人放下去。通过视频大家可以看到,机器人在海冰的边缘和底下航行,那是科学家头一次看到北极海冰下的壮观景象。

还有一件有意思的事情,以往我们做的水下机器人都是看海底或者水体,但这个机器人却是要向上看海冰,因此所有的传感器、观测设备都要向上安装,这样机器人在行走的时候,我们才可以清楚地看到冰下的世界。

2010年,这一型机器人又参加了中国的第四次北极科考。有了上次的经验,这次我们知道要找一个比较开阔的海域投放机器人,可实际上,找到这样的区域是非常困难的。

我的几个同事花了三天的时间凿了一个冰洞。冰洞的大小约是2米×1米,海冰的厚度达1.8米,这个冰洞所在的纬度是北纬87度,而纬度最高就是90度,所以凿冰洞的工作难度也是相当大。

通过这个冰洞,我们把水下机器人投放下去,待它执行完任务后,再把它从冰洞里回收起来,这就对机器人提出了很高的要求:完成任务后还要能回到原投放地。

经过这次北极科考,我的同事们都觉得机器人的体积还是大了些,凿冰洞也比较费时间,下次再去的时候一定要把机器人做的小点。现在大家看到的就是体积只有原来一半大小的改进后的机器人。

2014年,我们再次去了北极。有了上次的经验,这次我们花的时间就少多了。下图这就是机器人从冰洞口被投放下去的过程,通过机器人,我们可以看到海冰下冰的裂缝以及海冰融池等诸多情况。

刚才跟大家分享的是水下机器人在北极的应用情况,当初做机器人的时候,我们想机器人还需要到另一个极端环境——海底深渊去看一看。我们把深度为1000米的海域定义成深海,深度在6000米以上的海域就叫深渊了。

2014年,我们的海斗深渊专项项目获得了中科院先导专项的资助。深渊是一个又细又长的区域,从纵剖面看呈漏斗状,所以我们把它形象地称为海斗深渊。

马里亚纳海沟是世界上迄今为止大家所知最深的深渊,世界上很多科学家都想研究这个海沟,深渊技术的发展和开展深渊科学研究,都将面临巨大的挑战。

对于从事机器人研制工作的我们而言,设计一款机器人,让它到深渊去看一看,从而获得一些数据供科学家研究海底深渊的生物、深渊的地质是非常有必要的。

过去的三年中,我们经历了很多次试验,从实验室到湖上,从浅海到深海,试验一步一步走过来。在深渊环境,最大的技术难点就是耐压、抵御黑暗以及寡营养。马里亚纳海沟是目前已知的世界上最深的地方,大部分水深在8000米以上,最大水深超过10000米,我们的机器人必须要耐得住海底强大的压力。

水深10000米的地方大气压大概是100兆帕,这是什么概念?1cm2要承受1吨的压力,而1cm2是多大?也就是大家拇指指甲盖的大小。指甲盖大的面积要承受1吨重的压力,恐怕任何物体到了深渊都会被压成饼吧!所以我们研制水下机器人,最主要的就是要解决它的耐压问题,保证它能顺利下潜到马里亚纳海沟的底部。

其实早在1995年,我们就制造出了我国的第一个6000米级的自主水下机器人,但从6000米到11000米还有5000米的压力难度等着我们去攻克。经过很多次的试验,方案推倒了重来,失败了再重新做,终于,我们把机器人送到了深渊的底部,我们把这一过程笑称为“走向深渊”。

下图显示的是“海斗”号做浅海试验时在水深几十米地方拍摄到的海参,以及3000米海试时拍摄到的海底生物图片。

下图是2017年水下机器人在马里亚纳海沟底部安全着底时实时传输的海底视频截图。当时,母船上的很多科学家都是第一次看到深渊的景象,感觉像回到了远古时代,回到了那个以前从来没有人类去过的地方,看过通过光纤传输过来的深渊视频,大家都非常兴奋。图中的轨迹就是“海斗”号在海底进行坐底航行时留下来的,这个轨迹也永远地留在了马里亚那海沟的海底。

做了这么多机器人,我们更多的时候在想:未来的水下机器人会是什么样子?是遥控水下机器人ROV,还是自主水下机器人AUV,还是自主遥控水下机器人ARV?是它们三种的结合体,或是一种全新的机器人?一切皆有可能。但不管怎样,我们可以用一句话概括未来的机器人的发展方向——更深、更远、更强。

更深和更远大家很好理解,就是机器人能在水下走得更深,能航行得更远。我们现在去了马里亚纳海沟,那里水深10000多米,以后机器人还将去更深的海域。现在机器人可以航行上千公里,以后一定要航行得更远才行。

对于更强,我觉得有很多方面的含义,比如,未来的水下机器人可以携带更强的作业工具,能够完成更复杂的海底作业,甚至不用人来遥控,而是自主地完成任务。

还有一种情况,就是完全自主的机器人携带机械手完成复杂的海底作业。或者是仿生的机器人,跨介质的机器人,能够在水下巡游、在水面航行、在空中飞行。要达到这样的目的,我觉得最重要的是智能,不是做一个完全跟人类一样智能的水下机器人,而是赋予机器人更高的智能,这些通过技术的发展是可以实现的。

机器人智能的标志是什么?简单说,就是通过它自身携带的传感器感知水下的世界,通过这些传感器或者计算机控制系统知道自己在哪儿、要到哪儿去,从而做出合情合理的决策,到了指定区域,知道该怎么开展工作,这些就是机器人智能的体现。

这种智能可能体现在单个机器人上,也可能体现在一群机器人上,相同的机器人或不同的机器人通过合作完成复杂的水下作业任务。当然,还有可能通过人的意念来控制机器人,让它完成更为复杂的水下任务。

所有这些,我相信随着技术的发展,在不久的未来都能成为现实,只不过这需要经历时间的磨炼,也需要科研工作者不断地进行探索和追求。

最后我想借用封锡盛院士的一句话来结束今天的报告:人类源自海洋,但是人类已经无法回到故乡。不过,我想今后借助水下机器人,我们一定能实现重返故乡的梦想。我的报告就是这些,谢谢大家。