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  • “潜龙一号”水下机器人:探寻海底深处的奥秘

      什么是水下机器人,水下机器人长什么样,水下机器人的用途是什么……对于许多普通大众来说,水下机器人似乎还很陌生,其实它早已将人类的足迹延伸至万米的大洋深处。
     
      日前,在“向阳红10”船上,中国科学院沈阳自动化研究所研究员、我国首台6000米深海水下自主机器人“潜龙一号”项目负责人、“潜龙二号”总设计师刘健,给正在执行中国大洋第40航次任务的科考人员带来了一道精彩的水下机器人科普大餐。

      海底宝藏 勘探利器
     
      众所周知,占地球表面积71%的海洋拥有着丰富的资源。其中,国际海底区域总面积为2.517亿平方公里,占地球表面积的49%,蕴藏着矿物、能源、蛋白质、生物基因等多种资源。同时,海洋还有着重要的科学研究价值,在地球科学、生命科学、环境科学等领域具有重大意义。
     
      “这就是研制发展水下机器人的意义所在,它们可以代替人类,探寻大海深处的宝藏和奥秘。”刘健说,“机器人是自动执行任务的机器装置。它既可以接受人类指挥,又可以运行预先编排的程序,也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动,它的任务是协助或取代人类进行工作。那么,水下机器人就是一种可以在水下协助或者代替人完成某种任务的装置。”
     
      刘健介绍说,水下机器人可分为载人水下机器人(HOV)和无人水下机器人。其中,无人水下机器人又分为两大类。一类是有缆水下机器人,习惯称为遥控潜器(Remote Operated Vehicle,简称ROV);另一类是无缆水下机器人,习惯称为自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)。
     
      “像大名鼎鼎的蛟龙号,就是载人水下机器人,通常称为载人潜水器。像此次‘向阳红10’船上搭载的‘潜龙一号’和‘潜龙二号’就是无人无缆水下机器人。”刘健解释说,“载人潜水器顾名思义,就是人在舱内操作潜水器,进行水下工作;有缆潜水器就是操作人员通过电缆,在船上遥控潜水器在水下的运行和工作;无缆潜水器则是按照预先设定的程序,自主完成海底作业,智能化程度最高。”
     
      发展迅速“战功赫赫”
     
      随着人类从陆地向深海拓展,水下机器人的研制与应用也得到突飞猛进的发展。美国自1775年开始研制载人潜水器,至今已有200多年的历史,1953年下潜深度就达到了3000米。1960年下潜到11000米。然而,由于研制和运行成本巨大,且存在一定的危险性,科研人员随即把目光转向了无人潜水器。
     
      有缆潜水器(ROV)已经有半个世纪的历史,应用范围较为广泛,主要用于军事、海洋石油、打捞救生、海底管线埋设和检查、资源调查和科学研究、海洋渔业、养殖业、水库大坝检查、娱乐等,在潜器家族中,应用最多、功能最强大、技术最成熟。
     
      “但ROV受脐带电缆限制,活动范围小,不能进入复杂结构物中;大深度的ROV电缆及水面支持设备庞大,增加制造成本,占用甲板空间大。为此,无缆的自主式水下潜器逐渐悄然兴起。”刘健说,“AUV活动范围大,体积小、重量轻、机动灵活,而且造价和运行成本低,加之隐蔽性好,占用甲板空间小,可独立于母船作业,人的劳动强度低,适宜集群使用。”
     
      三种类型的水下机器人均为人类在探索深海大洋中立下了赫赫战功。例如全世界下潜最多的潜水器“阿尔文”号曾经在地中海850米深的海底找到了一颗遗失的氢弹,1985年成功找到沉睡多年的“泰坦尼克”号;日本研制的“海沟”号1997年在关岛附近成功地下潜到10911米深的马里亚纳海沟底部,从海底采回的泥浆中发现180种微生物;号称“黑匣子搜索神器”的美军“蓝鳍金枪鱼”号曾潜入南印度洋搜寻马航失联客机MH370的下落,它就是自主式水下潜水器……
     
      三龙闹海”各显神通
     
      我国水下机器人研制是从上个世纪七八十年代开始的。我国首台水下机器人“海人一号”由中科院沈阳自动化研究所1986年研制成功。目前,中国已经建立了以蛟龙号载人潜水器、“海龙”号无人有缆潜水器和“潜龙一号”无人无缆潜水器为代表的大洋勘探“龙家族”。
     
      蛟龙号赫赫有名,可载人下潜至7000多米,可以在全球99.8%的海底实现较长时间的海底航行、海底照相和摄像、沉积物和矿物取样、生物和微生物取样、标志物布放、海底地形地貌测量等作业。
     
      “海龙”号ROV下潜深度达3500米,主要用于大洋海底调查活动,包括海底热液矿物取样、大洋深海生物基因和极端微生物的研究,以及探索人类起源的秘密等。同时也可用于海洋石油工程服务,水下管道、电缆检测维修等各种水下作业。
     
      “潜龙”系列目前有“潜龙一号”和“潜龙二号”两台水下机器人。与“蛟龙”号及“海龙”号相比,“潜龙”系列可以真正实现自主导航、自主作业以及自我保护。“蛟龙”号更适合于定点或小区域作业,而“潜龙”的工作范围更大。
     
      “潜龙一号”是我国自主研制的首个6000米水下无人无缆潜器,长4.6米、直径0.8米、重1500公斤的回转体,最大工作水深6000米,巡航速度2节,最大续航能力24小时,配有浅地层剖面仪等探测设备。它可完成海底微地形地貌精细探测、底质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。
     
      据悉,“潜龙一号”于2011年11月启动研制;2013年3月和5月通过湖上试验和海上试验,累计下潜7次,最大下潜深度4159米;2013年10月,执行了首次应用任务,标志着中国深海资源勘察装备实用化改造取得重大进展。
     
      “潜龙二号”是4500米级深海资源自主勘察系统,能进行海底照相、微地形地貌测量、热液异常探测。
     
      “‘潜龙二号’是在‘潜龙一号’的基础上,针对多金属硫化物探测的不同需求研制的。它采用全新非回转体立扁形设计,更适应我国西南印度洋多金属硫化物合同区复杂的海底地形,上下更自如。而‘潜龙一号’回转体设计比较适合较为平坦的海底地形,它以太平洋底多金属结核调查任务为目的,兼顾其他多种深海资源的勘探和开发需求,为海洋科学研究及资源开发提供数据。”刘健告诉记者。
     
      由于体积小、行动灵活,AUV适宜集群使用,此次“向阳红10”船正是搭载了“潜龙一号”“潜龙二号”两个潜水器,进行一艘大船支撑两个潜水器的尝试。刘健说,未来还可以发展到一艘母船支撑四五个潜水器,提高效率、节约资源。
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