李碩 -研究員-博士研究生導(dǎo)師-中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所副所長(zhǎng)-機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任
文章摘要
水下機(jī)器人是人類探索海洋、認(rèn)識(shí)海洋和開發(fā)海洋的重要技術(shù)裝備，其研發(fā)能力在一定程度上標(biāo)志著國(guó)家深海資源調(diào)查、海洋科學(xué)研究的技術(shù)水平。文章簡(jiǎn)要介紹了國(guó)外深海機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了中國(guó)深海4500米級(jí)、6000米級(jí)和11000米級(jí)（全海深）水下機(jī)器人的研究進(jìn)展，闡述了中國(guó)深海機(jī)器人在深海礦產(chǎn)資源勘查和深海科學(xué)研究中發(fā)揮的重要作用以及構(gòu)建的全海深探測(cè)與作業(yè)技術(shù)裝備體系。在分析中國(guó)深海機(jī)器人面臨挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，提出未來發(fā)展的建議。
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海洋孕育了生命、聯(lián)通了世界、促進(jìn)了發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)生存和發(fā)展具有重要意義。地球上海洋接近90%的面積是超過1000 m的深海。深海蘊(yùn)藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)、生物等戰(zhàn)略資源。深海更是認(rèn)識(shí)海洋，解決生命起源、地球演化、氣候變化等重大科學(xué)問題的前沿領(lǐng)域。地球上深度超過6500 m的區(qū)域是深淵區(qū)域，最深的馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵深度接近11000 m。
深淵被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)地球系統(tǒng)地質(zhì)、生命、環(huán)境演化的關(guān)鍵一環(huán)，而由于研究技術(shù)手段的限制，人類對(duì)深淵的了解還十分有限。隨著計(jì)算機(jī)、通信、能源技術(shù)的不斷發(fā)展，水下機(jī)器人（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）正在成為人類探索海洋、認(rèn)識(shí)海洋和開發(fā)海洋最重要的技術(shù)裝備之一。
近年來，水下機(jī)器人在海洋科學(xué)研究、深海資源勘查、海洋工程及戰(zhàn)略高技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通常，水下機(jī)器人可分為自主水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）和遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle, ROV）。
AUV自帶能源，可以自主航行，能夠執(zhí)行大范圍探測(cè)任務(wù)，但作業(yè)時(shí)間、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、作業(yè)能力有限。ROV依靠臍帶電纜提供動(dòng)力，水下作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，作業(yè)能力較強(qiáng)，但作業(yè)范圍有限。
近年來發(fā)展的混合式水下機(jī)器人——自主遙控水下機(jī)器人（Autonomous & Remotely Operated Vehicle, ARV）結(jié)合了AUV和ROV的優(yōu)點(diǎn)，自帶能源，通過光纖微纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，既可實(shí)現(xiàn)較大范圍探測(cè)，又可實(shí)現(xiàn)水下定點(diǎn)精細(xì)觀測(cè)及輕作業(yè)，是信息型AUV向作業(yè)型AUV發(fā)展過程中出現(xiàn)的新型水下機(jī)器人。
此外，水下滑翔機(jī)作為一種靠浮力驅(qū)動(dòng)的新技術(shù)平臺(tái)，適用于長(zhǎng)時(shí)間、大范圍海洋環(huán)境觀測(cè)，技術(shù)逐漸成熟。
“十一五”以來，中國(guó)重點(diǎn)部署了4500米級(jí)、6000米級(jí)和11000米級(jí)深海技術(shù)裝備的研制，并積極開展應(yīng)用，取得了一批有影響的成果。在“十四五”規(guī)劃中，中國(guó)要在深海、極地等前沿領(lǐng)域?qū)嵤┮慌哂星罢靶?、?zhàn)略性的國(guó)家重大科技項(xiàng)目。其中，深海探測(cè)、海洋資源開發(fā)利用等已成為新興戰(zhàn)略性領(lǐng)域。
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國(guó)外深海機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外水下機(jī)器人研究已有近70年的歷史。以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，先后研發(fā)了ROV、AUV、ARV以及水下滑翔機(jī)等多種不同類型的水下機(jī)器人，主要用于深海資源勘查、海洋科學(xué)考察和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。
目前全球有上百家ROV制造商，正在使用的ROV數(shù)以千計(jì)，而且還在繼續(xù)增長(zhǎng)。其中，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在ROV領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，占據(jù)了絕大部分的商用市場(chǎng)份額。
自1991年建造出世界上首臺(tái)全深海無人遙控潛水器KAIKO以來，日本將ROV作為深潛裝備研究重點(diǎn)，先后研制了ABISMO、UROV11K等多型萬米級(jí)ROV產(chǎn)品。同一時(shí)期，法國(guó)的“Victor 6000”號(hào)、英國(guó)與美國(guó)合作研制的ISIS ROV、德國(guó)的“KIEL 6000”號(hào)ROV作業(yè)深度均達(dá)到6000米級(jí)，通過裝備之間的相互支持、聯(lián)合作業(yè)和安全救助等，能夠順利完成深海調(diào)查、搜索、采樣、維修、施工和救撈等任務(wù)。
自20世紀(jì)50年代美國(guó)華盛頓大學(xué)研制出世界上首臺(tái)AUV以來，其發(fā)展已歷時(shí)60余年。20世紀(jì)90年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和電子技術(shù)的日益成熟，AUV進(jìn)入快速發(fā)展階段，一批有影響的AUV相繼研制成功并得到應(yīng)用，包括美國(guó)的ABE、英國(guó)的Autosub、加拿大的Theseus。
進(jìn)入21世紀(jì)，AUV技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，在自持力方面，Hugin Superior AUV在3節(jié)航速下運(yùn)行時(shí)間可達(dá)70 h以上；在潛深方面，俄羅斯的Vityaz-D AUV于2020年成功下潛到10028 m的深度。
產(chǎn)品化的AUV不斷涌現(xiàn)，如美國(guó)Hydroid公司的Bluefin系列AUV、挪威Kongsberg公司的REMUS系列AUV和HUGIN系列AUV、美國(guó)Teledyne公司的Gavia系列AUV，這些系列化產(chǎn)品標(biāo)志著AUV進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。
美國(guó)、日本等國(guó)家先后研制成功用于不同工作目標(biāo)的ARV，其研究成果得到國(guó)際社會(huì)的一致認(rèn)可。最具代表性的是美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研制的全海深混合式遙控水下機(jī)器人（HROV）“海神”號(hào)（Nereus），其具有AUV和ROV兩種作業(yè)模式，但需要在機(jī)器人下水前現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行作業(yè)工作的換裝。
自2011年起，在“海神”號(hào)基礎(chǔ)上，針對(duì)極地海冰調(diào)查，美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所開始研制新的混合式水下機(jī)器人“Nereid UI”，攜帶長(zhǎng)距離光纖微纜，并搭載多種生物、化學(xué)傳感器，可進(jìn)行大范圍的冰下觀測(cè)和取樣等作業(yè)。
國(guó)外水下滑翔機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用主要集中于美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)和澳大利亞等國(guó)家。20世紀(jì)90年代，美國(guó)相繼開發(fā)成功Slocum、Seaglider和Spray三型水下滑翔機(jī)，并持續(xù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用。此外，歐洲和澳大利亞從21世紀(jì)開始專注于水下滑翔機(jī)的應(yīng)用和協(xié)作技術(shù)的研究，并組建了各自的水下滑翔機(jī)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
總結(jié)國(guó)外水下機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀可知，美國(guó)從頂層設(shè)計(jì)和研發(fā)推進(jìn)兩個(gè)方面持續(xù)推動(dòng)水下機(jī)器人發(fā)展升級(jí)，俄羅斯重點(diǎn)部署促進(jìn)深潛相關(guān)基礎(chǔ)使能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，美國(guó)、挪威等國(guó)的海洋科技企業(yè)積極投入研發(fā)力量，開發(fā)升級(jí)系列化水下機(jī)器人產(chǎn)品，并有著良好的供需對(duì)接機(jī)制。
目前，ROV已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，部分達(dá)到了商業(yè)化水平并被廣泛使用，其未來發(fā)展更關(guān)注作業(yè)能力，目標(biāo)在于提高其作業(yè)的自主性和臨場(chǎng)感。由于水下能源、通信和導(dǎo)航技術(shù)的限制，AUV還是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，正在經(jīng)歷產(chǎn)品化的過程，系列化的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。ARV技術(shù)在極地和深淵科考中的應(yīng)用，有效拓展了水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。水下滑翔機(jī)作為低成本、大范圍海洋觀測(cè)設(shè)備，通過獲取海量數(shù)據(jù)，正在改變?nèi)祟悓?duì)海洋的認(rèn)識(shí)。
不同類型的水下機(jī)器人發(fā)揮著不同探測(cè)與作業(yè)功能，ROV、AUV、ARV主要用于海底的探測(cè)與作業(yè)，水下滑翔機(jī)則更聚焦大范圍海洋水體觀測(cè)。
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中國(guó)深海機(jī)器人研究進(jìn)展
中國(guó)水下機(jī)器人研究工作始于20世紀(jì)70年代末期。40多年來，中國(guó)水下機(jī)器人技術(shù)得到了快速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，在科技部、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)（簡(jiǎn)稱中國(guó)大洋協(xié)會(huì)）等機(jī)構(gòu)的支持下，中國(guó)深海裝備實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，其中最具影響力和代表性的是4500米級(jí)“深海勇士”號(hào)、7000米級(jí)“蛟龍”號(hào)和11000米級(jí)“奮斗者”號(hào)載人潛水器，這些潛水器引領(lǐng)了中國(guó)深海裝備的系列化發(fā)展。
在載人潛水器發(fā)展的同時(shí)，無人潛水器（水下機(jī)器人）也在同步發(fā)展，形成了有人和無人裝備協(xié)同發(fā)展的態(tài)勢(shì)。以“潛龍”“探索”“悟空”系列自主水下機(jī)器人、“海星”“海龍”“海馬”系列遙控水下機(jī)器人、“海斗”“思源”系列自主遙控水下機(jī)器人、“海翼”“海燕”系列水下滑翔機(jī)等為代表的深海無人裝備得以成功研制與應(yīng)用，培養(yǎng)了一批水下機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)，極大地推動(dòng)了中國(guó)深海科學(xué)研究與深海資源勘查水平。
本文以4500米級(jí)、6000米級(jí)和11000米級(jí)的無人技術(shù)裝備為例，重點(diǎn)介紹中國(guó)深海機(jī)器人的研究進(jìn)展。
2.1 4500米級(jí)水下機(jī)器人研究進(jìn)展
2009年，科技部、國(guó)家海洋局聯(lián)合印發(fā)《國(guó)家深海高技術(shù)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃（2009—2020年）》，該規(guī)劃提出進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)深海高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的指導(dǎo)和部署，將深海潛水器技術(shù)與裝備作為重大項(xiàng)目列入其中。
“十二五”時(shí)期，在成功研制“蛟龍”號(hào)取得重大應(yīng)用突破后，中國(guó)重點(diǎn)研制4500米級(jí)載人潛水器、深海作業(yè)系統(tǒng)、自主潛水器（自主水下機(jī)器人）和水下滑翔機(jī)，提高自主研發(fā)能力，提高裝備的國(guó)產(chǎn)化率，構(gòu)建了中國(guó)4500米級(jí)的深海裝備體系，使中國(guó)具備了4500米級(jí)深海綜合探查和作業(yè)能力。
· 2.1.1 “潛龍二號(hào)”和“潛龍三號(hào)”自主水下機(jī)器人
深海資源是人類可持續(xù)發(fā)展的重要保障，世界海洋強(qiáng)國(guó)紛紛加強(qiáng)深海裝備的研發(fā)力度，以提高資源的勘查能力。“十一五”時(shí)期，中國(guó)缺乏復(fù)雜海底地形下深海資源的自主勘查裝備，這嚴(yán)重影響了其對(duì)深海多金屬硫化物等資源的勘查以及國(guó)際海底礦區(qū)圈定的進(jìn)程和效率。
為滿足現(xiàn)有國(guó)際海底礦區(qū)詳查和新礦區(qū)圈定的迫切需要，“十二五”時(shí)期在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下，中國(guó)大洋協(xié)會(huì)組織實(shí)施，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所作為技術(shù)總體單位，并與國(guó)家海洋局第二海洋研究所等單位合作，于2015年成功研制出了一套具有水體異常探測(cè)、微地形地貌測(cè)量、海底照相、磁力探測(cè)等能力，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜海底地形下多種資源大范圍、全覆蓋的“潛龍二號(hào)”自主水下機(jī)器人（圖1），填補(bǔ)了中國(guó)在多金屬硫化物等資源自主勘查領(lǐng)域的空白。
圖1 “潛龍二號(hào)”自主水下機(jī)器人
2016年3月，“潛龍二號(hào)”圓滿完成中國(guó)大洋40航次應(yīng)用任務(wù)，取得了多項(xiàng)歷史性的突破。首次使用中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的AUV開展洋中脊熱液區(qū)大洋探測(cè)任務(wù)，獲得了斷橋、龍旂熱液區(qū)的近海底精細(xì)三維地形地貌數(shù)據(jù)和磁力數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)斷橋、龍旂熱液區(qū)多處熱液異常點(diǎn)，獲得洋中脊近海底高分辨率照片（圖2），取得中國(guó)大洋熱液探測(cè)的重大突破。
圖2 “潛龍二號(hào)”拍攝的熱液區(qū)海底圖像
“潛龍二號(hào)”隨后又連續(xù)3年參加中國(guó)印度洋多金屬硫化物資源調(diào)查任務(wù)，為熱液硫化物成因機(jī)理及熱液羽狀流三維空間分布等熱點(diǎn)科學(xué)問題研究提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為中國(guó)西南印度洋多金屬硫化物合同區(qū)的礦化區(qū)異常圈定以及資源評(píng)估等作出了重大貢獻(xiàn)。
“潛龍二號(hào)”已成為中國(guó)多金屬硫化物資源調(diào)查最重要的高新技術(shù)裝備之一，并可為富鈷結(jié)殼、天然氣水合物等深海資源調(diào)查提供重要技術(shù)支撐，極大提升了中國(guó)深海資源勘查的技術(shù)水平和國(guó)際影響力。
為滿足中國(guó)大洋海底多金屬硫化物資源的調(diào)查評(píng)估和探測(cè)的需求，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所在“潛龍二號(hào)”的基礎(chǔ)上，于2018年成功研制出“潛龍三號(hào)”自主水下機(jī)器人（圖3），進(jìn)一步提升了自主水下機(jī)器人的可靠性、實(shí)用性、安全性和國(guó)產(chǎn)化率。
在2018年南海試驗(yàn)性應(yīng)用任務(wù)中，“潛龍三號(hào)”完成了對(duì)南海結(jié)核試采區(qū)的聲學(xué)、光學(xué)以及相關(guān)水體參數(shù)的探測(cè)，獲得了微地形地貌和結(jié)核區(qū)海底高清照片（圖4）。
圖3 “潛龍三號(hào)”自主水下機(jī)器人
圖4 “潛龍三號(hào)”拍攝的深海海底生物
2019年，“潛龍三號(hào)”完成大洋第52航次科考任務(wù)，在大西洋和印度洋開展資源勘探和環(huán)境調(diào)查。這是中國(guó)深海AUV首次在南大西洋中脊開展航次應(yīng)用，同時(shí)開啟了AUV與母船深海裝備的“點(diǎn)、線、面”協(xié)同作業(yè)新模式，極大提高了母船作業(yè)效率。
在大洋第57航次應(yīng)用中，“潛龍三號(hào)”在西北印度洋獲得高分辨率地形地貌，水體和磁力探測(cè)數(shù)據(jù)，為多金屬硫化物資源勘查和海底熱液成礦理論研究提供重要支撐。
2021年，“潛龍三號(hào)”在完成驗(yàn)收后，已經(jīng)正式向國(guó)家深海基地管理中心移交。
· 2.1.2 “探索4500”自主水下機(jī)器人
2018年，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，面向海底“冷泉”科學(xué)探測(cè)的需求，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院海洋研究所等成功研制“探索4500”AUV。經(jīng)過兩年的適應(yīng)性改造，“探索4500”于2021年參加了中國(guó)第12次北極科考（圖5），在北緯85°完成北極高緯度海冰覆蓋區(qū)科學(xué)考察任務(wù)。
這是中國(guó)首次利用自主水下機(jī)器人在北極高緯度地區(qū)開展近海底科考應(yīng)用?！疤剿?500”在海底連續(xù)工作，成功獲取了近底高分辨多波束、水文及磁力數(shù)據(jù)，為超慢速擴(kuò)張的加克洋中脊地形地貌、巖漿與熱液活動(dòng)等北極深海前沿科學(xué)研究提供了一種先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)手段。
圖5 “探索4500”北極高緯度海冰覆蓋區(qū)布放（來源：自然資源部第二海洋研究所）
· 2.1.3 “海馬”號(hào)遙控水下機(jī)器人
為提升中國(guó)深海潛水技術(shù)與裝備水平，擺脫深海裝備技術(shù)受制于人的被動(dòng)局面，2008年底國(guó)家“863”計(jì)劃啟動(dòng)“4500米級(jí)深海作業(yè)系統(tǒng)”重點(diǎn)項(xiàng)目。
該項(xiàng)目由國(guó)土資源部組織實(shí)施，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局作為業(yè)主單位牽頭，上海交通大學(xué)作為項(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)單位，聯(lián)合國(guó)內(nèi)業(yè)界多家優(yōu)勢(shì)力量協(xié)同攻關(guān)，于2014年成功研發(fā)出實(shí)用化的“海馬”號(hào)遙控水下機(jī)器人（圖6）。
圖6 “海馬”號(hào)遙控水下機(jī)器人（來源：http://scitech.people.com.cn/n1/2016/0531/c1007-28395309.html）
2015年3月，“海馬”號(hào)在地勘應(yīng)用中首戰(zhàn)告捷，在中國(guó)南海北部陸坡西部海底首次發(fā)現(xiàn)雙殼類生物群、甲烷生物化學(xué)礁、碳酸鹽結(jié)殼、菌席和氣體滲漏等活動(dòng)性“冷泉”標(biāo)志（該“冷泉”被命名為“海馬冷泉”），并獲取高清視頻記錄和實(shí)物樣品，同時(shí)記錄了海底低溫異常和超高甲烷含量異常，這些成果都顯示出該海域具有良好的天然氣水合物賦存前景。
在“海馬”號(hào)探查成果的指引下，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局隨后在“海馬冷泉”區(qū)開展了多次地質(zhì)取樣工作（圖7）。在“海馬冷泉”區(qū)獲取了海底表層高純度的水合物實(shí)物樣品，取得了中國(guó)在南海新海域采獲水合物實(shí)物樣品的又一次重大突破性進(jìn)展。“海馬冷泉”成為中國(guó)海洋資源與生態(tài)環(huán)境前沿科學(xué)研究的重要海域。
圖7 “海馬”號(hào)ROV拍攝的“海馬冷泉”照片（來源：http://scitech.people.com.cn/n1/2016/0531/c1007-28395309.html）
· 2.1.4 “翼龍4500”水下滑翔機(jī)
面向多金屬硫化物礦區(qū)熱液異常普查的需求，在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)的支持下，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制出“翼龍4500”水下滑翔機(jī)（圖8），成功應(yīng)用于中國(guó)大洋第58航次調(diào)查任務(wù)。
“翼龍4500”在國(guó)內(nèi)首次突破了水下滑翔機(jī)深海環(huán)境密度變化自適應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)小鋸齒波浪式近底加密剖面觀測(cè)技術(shù)，使中國(guó)水下滑翔機(jī)研制水平得到了提升，成為又一類深海調(diào)查高技術(shù)無人裝備。
圖8 “翼龍4500”水下滑翔機(jī)
2.2 6000米級(jí)水下機(jī)器人研究進(jìn)展
在構(gòu)建中國(guó)4500米級(jí)的深海裝備體系的同時(shí)，面向深海多金屬結(jié)核礦產(chǎn)資源和深海地質(zhì)調(diào)查等需求，中國(guó)自主研發(fā)了6000米級(jí)系列深海機(jī)器人。
其中，最具有代表性的深海探測(cè)和作業(yè)裝備主要包括：“潛龍一號(hào)”和“潛龍四號(hào)”AUV、“海星6000”深?？瓶夹蚏OV、“問海一號(hào)”ARV等，初步構(gòu)建了中國(guó)6000米級(jí)深海技術(shù)裝備體系。
· 2.2.1 “潛龍一號(hào)”和“潛龍四號(hào)”自主水下機(jī)器人
面向多金屬結(jié)核資源調(diào)查等需求，在中國(guó)大洋協(xié)會(huì)的支持下，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所先后研制6000米級(jí)“潛龍一號(hào)”和“潛龍四號(hào)”自主水下機(jī)器人，執(zhí)行海底地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和海洋環(huán)境參數(shù)等精細(xì)調(diào)查任務(wù)，為海洋科學(xué)研究及資源勘探開發(fā)提供必要的科學(xué)數(shù)據(jù)。
“潛龍一號(hào)”是中國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)實(shí)用型6000 m自主水下機(jī)器人，多次執(zhí)行大洋科考應(yīng)用航次。
2020年，“潛龍一號(hào)”和“潛龍四號(hào)”聯(lián)合完成太平洋科考航次任務(wù)（圖9），兩型裝備的成功研制，使中國(guó)具備了對(duì)占世界海洋面積97%的海域進(jìn)行大范圍精細(xì)探測(cè)的能力，標(biāo)志著中國(guó)深海資源勘查自主裝備已達(dá)到實(shí)用化水平。
圖9 “潛龍一號(hào)”和“潛龍四號(hào)”聯(lián)合完成太平洋科考航次任務(wù)
· 2.2.2 “海星6000”遙控水下機(jī)器人
在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所主持研發(fā)了“海星6000”ROV，這是中國(guó)首臺(tái)自主研制的6000米級(jí)遙控水下機(jī)器人（圖10）。
2018年“海星6000”完成了深海生物、沉積物、水樣、巖石等系列化取樣及激光拉曼的原位測(cè)量等作業(yè)（圖11），最大下潛深度6001 m，創(chuàng)造了中國(guó)深海ROV最大深潛紀(jì)錄，填補(bǔ)了中國(guó)深海ROV 6000米級(jí)深度科考的空白。
圖10 “海星6000”海上布放
圖11 “海星6000”海底探測(cè)與作業(yè)
· 2.2.3 “問海1號(hào)”自主遙控水下機(jī)器人
面向深海地質(zhì)調(diào)查任務(wù)，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所聯(lián)合研制了6000米級(jí)“問海1號(hào)”自主遙控水下機(jī)器人，其具備自主、遙控、混合3種工作模式，可搭載高分辨率測(cè)深側(cè)掃、淺剖、高清攝像機(jī)及機(jī)械手等探測(cè)載荷和作業(yè)工作，開展大范圍近海底自主航行探測(cè)和坐底定點(diǎn)精細(xì)取樣作業(yè)。
“問海1號(hào)”在完成海上驗(yàn)收和試驗(yàn)性應(yīng)用后（圖12），已列裝“海洋地質(zhì)九號(hào)”船，將服務(wù)于海洋環(huán)境調(diào)查、生物多樣性調(diào)查、海底特定目標(biāo)物探查、深海極端環(huán)境原位探測(cè)和深海礦產(chǎn)資源調(diào)查等深海科考工作。
圖12 “問海1號(hào)”海上準(zhǔn)備布放場(chǎng)景（來源：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所）
2.3 11000米級(jí)水下機(jī)器人研究進(jìn)展
針對(duì)中國(guó)在深淵科學(xué)研究和深淵地質(zhì)調(diào)查等方面的重大需求，圍繞深海進(jìn)入和深淵跨越這一主線，在基本掌握了具有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海4500米級(jí)和6000米級(jí)水下機(jī)器人研發(fā)的基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)世界科技前沿，在“十三五”期間，中國(guó)布局開展了11000米級(jí)全海深載人潛水器項(xiàng)目群、多型全海深無人潛水器裝備研制，以及深淵前沿關(guān)鍵技術(shù)研究。
通過中國(guó)科技工作者的不懈努力，圓滿完成了研制任務(wù)，并積極開展海上試驗(yàn)和試驗(yàn)性應(yīng)用，取得了一批令人振奮的科研成果，部分成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
· 2.3.1 “海斗”號(hào)和“海斗一號(hào)”自主遙控水下機(jī)器人
海斗深淵已逐漸成為國(guó)際地球科學(xué)，尤其是海洋科學(xué)的前沿陣地和研究熱點(diǎn)。面向深淵探測(cè)，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持下，由中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所自主研發(fā)的“海斗”號(hào)全海深自主遙控水下機(jī)器人（圖13）于2016年研制成功。
“海斗”號(hào)是一種新型的混合式水下機(jī)器人，用于開展全海深無人潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究及驗(yàn)證。2016—2018年，“海斗”號(hào)連續(xù)3年參加馬里亞納海溝深淵科考航次，11次到達(dá)萬米以下深度，最大下潛深度10905 m，獲得中國(guó)首批全海深溫鹽數(shù)據(jù)和視頻直播影像，實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次全海深高清視頻現(xiàn)場(chǎng)直播。
圖13 “海斗”號(hào)海上布放
在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)10余家科研單位共同攻關(guān)，研制出全海深自主遙控水下機(jī)器人——“海斗一號(hào)”，其具有獨(dú)特的“三合一”多模式操控（AUV、ROV、ARV）和作業(yè)模式，既能大范圍自主巡航探測(cè)，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定點(diǎn)精細(xì)觀測(cè)，還能夠通過所攜帶的機(jī)械手采集樣品。
2020年，“海斗一號(hào)”（圖14）在馬里亞納海溝實(shí)現(xiàn)4次萬米下潛，最大下潛深度10907 m，刷新了當(dāng)時(shí)中國(guó)潛水器最大下潛深度紀(jì)錄。2021年，“海斗一號(hào)”在馬里亞納海溝10800 m以深深淵海區(qū)成功實(shí)現(xiàn)多次萬米下潛及科考應(yīng)用，完成了深淵海底樣品抓取、沉積物取樣（圖15）、水樣采集等科考作業(yè)。
在無纜自主（AUV）模式下，最大下潛深度達(dá)到10908 m，海底連續(xù)作業(yè)時(shí)間超過8 h，填補(bǔ)了中國(guó)全海深A(yù)UV技術(shù)與裝備空白。在國(guó)際上首次對(duì)“挑戰(zhàn)者”深淵西部凹陷區(qū)進(jìn)行大范圍的全覆蓋聲學(xué)巡航探測(cè)。
在自主遙控混合（ARV）模式下，“海斗一號(hào)”在萬米海底連續(xù)工作超過10 h，創(chuàng)造了中國(guó)潛水器萬米海底最長(zhǎng)工作時(shí)間的紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了萬米海底定點(diǎn)實(shí)時(shí)高清精細(xì)觀測(cè)。
圖14 “海斗一號(hào)”海上布放
圖15 “海斗一號(hào)”搭載電動(dòng)機(jī)械手采集沉積物樣品
· 2.3.2 “思源”號(hào)自主遙控水下機(jī)器人
在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下，上海交通大學(xué)成功研制“思源”號(hào)自主遙控水下機(jī)器人（圖16）。
2021年，“思源”號(hào)在西太平洋公海海域完成深海試驗(yàn)，最大下潛深度8072 m，最長(zhǎng)海底工作時(shí)間超過8 h，完成海底探測(cè)和取樣等多種測(cè)試，驗(yàn)證了裝備的穩(wěn)定性和強(qiáng)大的海底作業(yè)能力。
圖16 “思源”號(hào)自主遙控水下機(jī)器人（來源：https：//naoce.sjtu.edu.cn/xy_news/10844.html）
· 2.3.3 “悟空”號(hào)自主水下機(jī)器人
在科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目支持下，哈爾濱工程大學(xué)成功研制“悟空”號(hào)全海深自主水下機(jī)器人（圖17）。
繼2021年初“悟空”號(hào)創(chuàng)造了7709 m的亞洲深潛紀(jì)錄后，2021年10月在馬里亞納海溝完成了4次超萬米深度下潛——10009、10888、10872和10896 m，超過國(guó)外AUV于2020年5月創(chuàng)造的10028 m的AUV潛深世界紀(jì)錄，并順利完成海試驗(yàn)收。
圖17 “悟空”號(hào)自主水下機(jī)器人（來源：哈爾濱工程大學(xué)微信公眾號(hào)）
· 2.3.4 “海燕-X”水下滑翔機(jī)
2020年7月，由青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與天津大學(xué)共同研發(fā)的“海燕-X”水下滑翔機(jī)，在萬米深淵觀測(cè)科學(xué)考察航次中，最大下潛深度達(dá)到10619 m，獲得大量深淵的溫鹽、聲學(xué)，以及影像等同步調(diào)查資料。
2臺(tái)萬米級(jí)“海燕-X”水下滑翔機(jī)（圖18）開展了連續(xù)6 d的綜合調(diào)查，共獲得觀測(cè)剖面45個(gè)，其中萬米級(jí)剖面3個(gè)，充分驗(yàn)證了“海燕-X”水下滑翔機(jī)在深淵環(huán)境下的工作可靠性，標(biāo)志著中國(guó)在萬米級(jí)水下滑翔機(jī)關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。
圖18 “海燕-X”水下滑翔機(jī)（來源：https://wap.peopleapp.com/article/5747704/5669494）
歷經(jīng)“十二五”和“十三五”的發(fā)展，中國(guó)深海機(jī)器人技術(shù)研發(fā)能力有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，形成了4500、6000和11000 m 3個(gè)系列深海裝備體系，多型裝備填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白，潛深、航程和作業(yè)能力等多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
通過連續(xù)的海上試驗(yàn)與應(yīng)用，無人裝備的可靠性和實(shí)用化程度不斷提高，面向深海礦產(chǎn)資源勘查、海洋科學(xué)研究等領(lǐng)域，初步構(gòu)建了中國(guó)深海譜系化技術(shù)裝備體系，形成了全海深探測(cè)與作業(yè)能力，使中國(guó)具備了深海、深淵、大洋和極地的探測(cè)與作業(yè)能力。
3
中國(guó)深海機(jī)器人發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及建議
從1994年中國(guó)首臺(tái)1000 m“探索者”號(hào)AUV研制成功，拉開中國(guó)深海機(jī)器人研制的序幕，到2022年4月“問海1號(hào)”ARV完成海上試驗(yàn)與應(yīng)用，中國(guó)深海機(jī)器人研發(fā)將近30年，經(jīng)過幾代人的不懈努力，中國(guó)水下機(jī)器人具備了正向的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>
經(jīng)過不斷應(yīng)用迭代，水下機(jī)器人的研制和應(yīng)用與科學(xué)問題和實(shí)際需求的結(jié)合更加緊密，在超大潛深密封、自主航行控制、高精度導(dǎo)航定位、高密度能源應(yīng)用和高效推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)上不斷取得突破，不斷刷新深海裝備研制和應(yīng)用的一項(xiàng)項(xiàng)紀(jì)錄。
中國(guó)深海機(jī)器人研制不斷取得進(jìn)步的同時(shí)，也面臨著一些挑戰(zhàn)。
（1）中國(guó)深海機(jī)器人或多或少都能看到國(guó)外水下機(jī)器人的技術(shù)痕跡。如何結(jié)合科學(xué)需求，研制出具有中國(guó)特色的水下機(jī)器人，用中國(guó)原創(chuàng)的水下機(jī)器人技術(shù)解決科學(xué)問題，為人類認(rèn)知海洋作出更大的貢獻(xiàn)。
（2）中國(guó)深海機(jī)器人通常都是單臺(tái)套作業(yè)，發(fā)揮作用有限。如何建立深海裝備協(xié)同管控平臺(tái)，加強(qiáng)深海機(jī)器人的任務(wù)協(xié)調(diào)和調(diào)度，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享，提高深海機(jī)器人體系貢獻(xiàn)率。
（3）中國(guó)深海機(jī)器人譜系相對(duì)分散，缺乏頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃。國(guó)外已經(jīng)或正在形成水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。如何破解中國(guó)水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，推動(dòng)深海傳感器和載荷的系列化和國(guó)產(chǎn)化等，建立與中國(guó)深海機(jī)器人發(fā)展相配套的工業(yè)化體系。
以上都是下一步需要解決的問題。對(duì)于中國(guó)深海機(jī)器人的發(fā)展，建議如下。
（1）全面提升水下機(jī)器人的智能化、實(shí)用化和業(yè)務(wù)化應(yīng)用水平。持續(xù)改進(jìn)、不斷創(chuàng)新，提高水下機(jī)器人自主感知、自主作業(yè)，以及極端復(fù)雜環(huán)境下的自適應(yīng)能力。圍繞重大科學(xué)問題，提出中國(guó)原創(chuàng)水下機(jī)器人的新概念、新原理，突破高效應(yīng)用的高海況布放回收、自動(dòng)化運(yùn)維保障等瓶頸技術(shù)，進(jìn)一步提高可靠性和操作便捷性，推動(dòng)規(guī)?；?、集群化組網(wǎng)應(yīng)用。
（2）加快建立中國(guó)大型深潛裝備共享機(jī)制和運(yùn)維管理平臺(tái)。基于此類平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)需求協(xié)同、任務(wù)協(xié)同、裝備協(xié)同和大數(shù)據(jù)時(shí)代成果分級(jí)、分類共享，形成規(guī)范化運(yùn)維保障能力和業(yè)務(wù)化科考能力，為提升海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)核心競(jìng)爭(zhēng)力作出新貢獻(xiàn)。
（3）加快培育中國(guó)深海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，逐步建立中國(guó)水下機(jī)器人的工業(yè)體系，研制系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、高可靠性的產(chǎn)品，全面帶動(dòng)材料、能源、傳感器等領(lǐng)域的發(fā)展，為推動(dòng)中國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。
4
結(jié)束語
中國(guó)深海機(jī)器人研發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)表明，堅(jiān)持走深海技術(shù)國(guó)產(chǎn)化道路是中國(guó)的正確選擇。全面自主掌握深海核心關(guān)鍵技術(shù)是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的必經(jīng)之路。要堅(jiān)持“戰(zhàn)略先導(dǎo)先行—重大研發(fā)任務(wù)攻關(guān)—示范應(yīng)用”的路線，加強(qiáng)原創(chuàng)性、前瞻性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)，把裝備研制牢牢抓在自己手里，為海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)發(fā)揮更大作用。
全文刊載于《前瞻科技》2022年第2期“深潛科學(xué)與技術(shù)專刊”。
