追尋“月亮號”沉船
——法國深海考古的最新探索

邱丹丹

（法國巴黎一大先賢祠索邦大學，巴黎 75006）

2016年，法國水下考古研究中心迎來了成立五十周年慶典。他們在馬賽歷史博物館舉辦了題為“海洋的記憶”大型回顧展。此次展覽除了呈現50年來法國水下考古工作的主要成就，更首次向公眾展示了法國深海考古“奔向月球”計劃的階段性成果及“海洋一號”（Ocean One）水下機器人。

1 法國水下考古研究中心

1966年，時任法國文化部部長的馬爾羅（André Malraux,1901年9月1日—1976年11月23日）創建了法國海洋研究中心（DRASM），用以管理法國境內涉及海洋文化遺產的保護與考古發掘。1996年，DRASM與成立于1980年的國家內水考古研究中心（CNRAS）合并，成為今天的法國水下考古研究中心（DRASSM）。該中心隸屬于法國文化部，主要承擔保護、發掘、研究法國本土、海外省和專屬經濟區的水下文化遺產的工作。總部設于地中海畔的馬賽市。DRASSM現有40余名在職研究員、實驗人員及行政人員。

自1966年至今，法國水下考古研究中心發掘或調查過的水下遺址、沉船從不到50處（艘），到今天法國本土超過2萬處（艘），專屬經濟區介于15萬至20萬處（艘）。特別是最近20年，法國水下考古的遺址研究范圍不斷擴大，從超過2.5萬年的洞穴壁畫到“二戰”時期沉沒的軍艦，都被納入法國水下考古研究中心的發掘與保護范圍之中。

豐富的工作經驗及長期積累的技術方法使法國水下考古研究中心走在了全世界水下考古界的前列。自20世紀80年代起，DRASSM被邀請或主動參與世界多個國家或地區水下遺址的調查與發掘，包括美國、埃及、加蓬、利比亞、馬耳他、巴基斯坦、所羅門群島、文萊、菲律賓等，為其他國家與地區的水下文化遺產的保護提供了專業性意見。近年來，中國水下考古取得了令人矚目的成績，DRASSM也積極尋求與中國同仁的交流與互動，2015年雙方簽訂了合作協議，以增進相互間持續穩定的多方式、多種類的交流與合作。

從20世紀80年代起，法國水下考古研究中心已開始嘗試在地中海的深海區域進行沉船探測[1]86。Cap Bénat 4號沉船位于法國南部土倫港外海328 m深處。1977年，法國海軍潛水艇“格里芬”在執行任務時偶然發現了該船。1981年，DRASSM利用法國海洋開發研究院（IFREMER）的潛水器Cyana對沉船進行了一次快速考察。該遺址被350～400個安佛拉式罐覆蓋，整體長15 m，寬5～6 m。此次考察中，Cyana成功取回了數件安佛拉式罐及其他器物[2]。隨著水下遙控潛水器和水下攝影測量技術的不斷進步，2015年Luc Long帶領團隊，對Cap Bénat 4號沉船重新進行了測量，并著手制作3D模型[3]。

20世紀90年代之后，法國水下考古研究中心將深海考古也納入了其工作日程[4]，與其他機構和企業合作，不斷嘗試利用新儀器、新技術向深海遺址發起挑戰。在與技術部門和私人企業多年的磨合中，法國水下考古學家取得了寶貴的實踐經驗，對深海考古技術需求更為明確，最終提出了必須要由考古學家來掌控水下機器人進行深海發掘的目標[1]88-89。在這一背景下，1977年發現的“月亮號”再次回到了法國水下考古學家的視野，不論是埋藏深度還是保存狀況，“月亮號”沉船都是進行深海考古實驗的最佳選擇。經過5年的準備，2012年“奔向月球”計劃成功立項。

2 “奔向月球”深海考古計劃

2.1 官方合作機構

“奔向月球”深海考古計劃的核心是對“月亮號”進行發掘，它沉沒于法國土倫港外一處深達90 m的海域，曾是路易十四統治前期法國海軍的重要戰艦。這項計劃由法國水下考古研究中心主導，與多家本國與他國科研機構和私人企業共同合作，從發掘到出水物修復保護，探索與測試深海考古所需的發掘技術手段。這些機構如下。

(1)法國海軍。法國水下考古研究中心多年來與法國海軍保持著密切的合作，從水下遺址的發現到設備的出借，法國海軍為水下考古提供了相關幫助。在“奔向月球”計劃中，法國海軍除了在船舶、人員方面給予協助外，2012年10月，他們還提供了新一代深海潛水服Newsuit，使考古學家可以親自在“月亮號”上發掘。

(2)法國海洋開發研究院（IFREMER）。作為法國水下考古研究中心最重要的合作機構，法國海洋開發研究院長期參與法國水下考古工作，特別是深海考古探查。在“月亮號”的發掘中，他們為考古隊提供了包括自主水下機器人AsterX在內的水下機器設備。

(3)巴黎地球物理所下屬的海洋地球科學研究團隊。

(4)西班牙赫羅納大學高等理工學院的水下機器人研究中心（CIRS）、計算機視覺與機器人技術研究團隊（VICOROB）以及信息與應用研究所。他們為考古人員操作自主水下機器人“赫羅納500”對“月亮號”拍照并制作3D繪圖提供培訓。2012年8月28日至30日完成第一批測量數據。

(5)國家高等先進技術學院（ENSTA）。該學院三年級學生Maylis Garcia暫駐法國水下考古研究中心，完成“完全適用于水下考古學家特定要求的水下航行器的可行性”研究工作。

2.2 私人企業合作方

除此之外，長期以來，法國水下考古中心還與多家私人企業保持合作。這些企業為DRASSM提供技術與資金支持。在“奔向月球”項目中，多家公司參與其中，包括：

(1)達索系統（Dassault Systèmes S.A）。作為一家法國軟件公司，達索系統主要從事3D設計軟件、3D數字化實體模型等業務，為航空、機械、電子等行業的軟件系統提供服務與技術支持。該公司為“月亮號”的發掘提供了3D虛擬現實模擬與采用實際發掘數據重建的3D模型。DRASSM的最終目標是利用達索系統確保考古學家可以完全自主地調查與分析深海沉船，而不需要專業技術人員協助或從旁操作。

(2)A-Corros公司。該公司是法國水下考古研究中心的傳統合作伙伴，主要為考古學家提供亞臨界方法處理出水金屬物。亞臨界方法是使液體具有近似瓦斯的特性，可以大大縮短穩定金屬器物的時間。2001年美國克萊門森大學的Mike Drews首次將這一方法應用到穩定考古器物上。經過論證，采用亞臨界方法可使原本長達3個月的金屬物穩定周期縮短到72 h。該公司已經接手了“月亮號”出土的部分金屬品的處理工作，同時，DRASSM還與A-Corros合作籌建一臺2 m3的實驗機器，用以處理大型出水金屬物，如艦載大型火炮等[1]96。

2.3 水下機器人團隊

在“月亮號”發掘中最為重要的是水下機器人技術的試用。在“奔向月球”計劃中，主要的兩大水下機器人團隊是：

(1)海事專業公司（Comex）。該公司是世界領先世界領先的工程，技術和水下機器人技術公司。從90年代以來，Comex多次參與到水下發掘之中，為法國水下考古學家提供機器人技術，如1990年，Sainte Dorothea號的發掘。這是一艘丹麥商船，1693年沉沒于靠近法國尼斯72 m深的海域[5]。此次，Comex公司提供水下遙控潛水器“Achille M4”型和微型潛艇“Rémora 2000”協助提取沉船上的樣本，并拍攝一部記錄“月亮號”發掘工作過程的影片。

(2)美國伍茲霍爾海洋學研究所。成立于1930年的伍茲霍爾海洋學研究所是美國最大的獨立海洋學研究所。其在“月亮號”發掘的工作內容主要是利用兩個自主水下機器人“Remus 100”型，根據實際需要，對沉船系統地進行聲學與3D攝影，以便考古學家有可供隨時參考的精確到厘米，并標有準確沉積物位置的3D沉船圖像。

3 “月亮號”沉沒及發現始末

1639—1642年，“月亮號”建造于法國西南的南特或布雷斯特造船廠，隨后在法國皇家海軍服役。該艦全長43 m，寬10 m，重800 t。這艘擁有雙層甲板的三桅戰船在使用初期位列一級巡防艦，參與了法國海軍一系列重要的海戰，但在1664年最后一次出航前，由于船體老化，設備陳舊，被降為三級軍艦。限于當時的技術條件，戰艦的服役年限一般在15年。“月亮號”在沉沒前已屬于“超期服役”。根據資料顯示，1647年，“月亮號”上配備有36門火炮。在1664年出發前往地中海南部時，裝備了48門火炮，350名船員，包括5名軍官、150名水兵及100名軍士①Institut fran?ais de la mer,Objet:Le destin d’une frégate du roi soleil,Fiche documentaire n° 4/12,p.4.。

17世紀的地中海，特別是北非沿岸，海盜活動猖獗。各國海軍紛紛對其進行圍剿，但收效甚微。1664年，為了打擊位于阿爾及利亞北部卡比利亞的海盜巢穴，法國海軍國務大臣柯爾貝爾（Jean-Baptiste Colbert，1619年8月29日—1683年9月6日）決意發動吉杰勒遠征（Expédition de Djidjelli），其目的是占領吉杰勒，構建軍事堡壘，使其成為進攻北非海盜的前沿陣地。這支由63艘軍艦、近9 000人組成的龐大遠征軍于1664年3月在土倫港開始集結，7月2日離開土倫港向吉杰勒進發。遠征軍由達加涅伯爵加利安（Charles-Felix de Galéan，1620年—1700年1月6日）領導，然而國王的堂兄旺多姆公爵（Fran.ois de Bourbon-Vend.me,1616年1月16日—1669年6月25日）卻擁有最高決策權。這種復雜的指揮關系間接導致了此次遠征的敗績。

遠征軍遭遇了海盜的強烈抵抗，海盜甚至還得到了來自阿爾及爾的土耳其軍隊的支持。10月，戰事進入膠著狀態，“月亮號”正是在這一時刻啟程前往戰區運送補給。然而當它于10月22日到達時，遠征軍大勢已去，潰敗在所難免。10月30日，“月亮號”載著尚未卸載的補給裝備及救起的皮卡第軍團約800名官兵，返回土倫。此時，船上人員總數近1 200名。

由于超載，“月亮號”老舊的船體在11月6日到達土倫時，已經開始進水，并且由于大量人員擠占空間導致無法維修。雪上加霜的是，土倫此時正遭受鼠疫的侵襲，海軍部決定讓包括“月亮號”在內的4艘船到附近的波克羅勒島（?le de Porquerolles）隔離。盡管“月亮號”的指揮官提出了抗議，但海軍派來的兩名高級造船工卻認為該船尚可進行短距離航行。“月亮號”別無選擇，被迫前往波克羅勒島，最終在卡爾屈埃拉納（Carqueiranne）西南方被陣風掀翻，“像一塊大理石一樣”沉入海底。此次海難導致約800人喪生，皮卡第軍團的部分士兵在“月亮號”沉沒前被轉移至“麥格爾號”（Le Merc?ur），另有不到100名幸存者被跟隨“月亮號”的小型護衛艦救起。

在之后長達300多年的時間里，“月亮號”消失在了歷史的汪洋中，直到1993年5月15日，法國海洋開發研究院在土倫海域的卡爾屈埃拉納進行潛水測試，潛水器“鸚鵡螺號”意外在90 m深處發現了一艘三桅沉船殘骸。在得到IFREMER通知后，法國水下考古研究中心隨即派人進行實地考察探測，大量的水下照片證明該船保存相當完好，部分船體覆蓋于海底沙體中，其應該就是1664年沉沒的“月亮號”。第一次考察之后，DRASSM認為以當時的技術條件，尚不具備發掘的可能性，最好的辦法是原址保護，待時機成熟之時再使其重見天日。1994年1月27日，“月亮號”遺址范圍被劃為禁潛海域。1997年DRASSM再次派出潛水器對“月亮號”進行探測，為最終的發掘計劃做進一步準備。2012年，“月亮號”重新在考古學家與公眾面前亮相。

4 “月亮號”的發掘與水下機器人技術的應用

2007年，在研究“奔向月球”計劃可行性的同時，為適應日后裝配水下機器人及深海考古設備的需要，法國水下考古研究中心投入設計了一艘新型考古科研船——“馬爾羅號”（André Malraux），替代自1967年服役的“考古螺號”。

4.1 “馬爾羅”號考古科研船

“考古螺號”科研船是法國第一艘專門用于水下考古調查和發掘的科研型船只，長29.32 m，寬6 m，吃水深度2.6 m，排水量112 t，最大載人16人，包括5～9名船員。船上配備有一臺液壓起重機和雷達以及小型考古工作室等基本設備。該船1967年下水，在行政上其隸屬于法國文化部，交由法國水下考古研究中心（當時的法國海洋研究中心）使用，但其船上設備與船只維護則是由法國海軍資助與支持。1997年，由于資金問題，法國海軍不再為“考古螺號”提供設備，在被拆除所有設施后，考古船不得不提前退役。直到1998年6月，法國文化部找到一家私人機構FOSELEV為船只裝配設備及提供養護，“考古螺號”才得以繼續出海。

然而隨著法國水下考古工作的日益繁重，“考古螺號”不可避免地顯出疲態、跟不上工作的腳步，并逐漸成為拖累法國水下考古研究中心的包袱。“‘考古螺號’最主要問題是它吞噬了幾乎所有DRASSM的預算，但卻無法離開馬賽，甚至連馬賽周邊海域都無法前往”，“它就是一艘不再適合發掘的老舊船只，大多數時候，它只被當成餐廳使用”②Michel L’Hour,De L’Archéonaute à l’André Malraux,Portraits intimes et histoires secrètes de l’archéologie des mondes engloutis,Arles,Actes Sud,2012,pp.84.。因而，法國水下考古中心決定讓這艘見證了法國水下考古起步騰飛的“考古螺號”在2005年退役，以騰出預算建造一艘更符合現今和未來水下考古發展的新科研船。

2006年開始，DRASSM與馬賽的船舶設計公司Mauric一起探討新考古船的建造方案。法國水下考古研究中心的預期是建造一艘符合未來50年科研要求的船只。經過3年的反復討論和研究，在征求了考古學家和船舶建造師及海軍、船員等外界人士的不同意見之后，最終設計方案在2009年交由位于拉西奧塔的H2X船廠建造。“馬爾羅號”的總造價最終達到900萬歐元。每年使用9～11個月，累計270～320天，每年30萬～35萬歐元使用費。

“馬爾羅號”考古科研船具有復合塑料外殼，長36.3 m，寬8.85 m，吃水3.2 m，排水量275 t，工作甲板面積達到70 m2。柴電推進，可保證低速運行下不堵塞發動機，最大速度設計為13節。由于使用了輕型材料，“馬爾羅號”最大限度地減少了船員人數（船員僅有5人，包括1名廚師），使科研隊伍人數得到極大地增加（可搭載最多26人的潛水及研究團隊）。

該船在設計之初就是為了承載今后水下考古工作中使用的更多新科技與技術設備，因而“馬爾羅號”較之“考古螺號”增添了更多先進儀器設備平臺及預留位，其艙內工作空間也得以擴大。“馬爾羅”號具有一臺起重機和一臺重達6 t的龍門，用以起吊或牽引水下考古及測量設備。工作甲板上有信息處理、高壓氧艙、科學儀器等專屬位，并可停放6 t以下的小型潛水艇。“馬爾羅號”在設計時特別提高了對船只穩定性的要求，以便能適應不同海況下的工作。特別是在深海發掘時，多臺設備同時下潛，需確保每臺設備電纜不會因波動而互相糾纏。另外，“馬爾羅號”上的設備具有通用性和多功能性，可供不同科研團隊同時在船上作業。

2012年1月24日，“馬爾羅號”正式交付法國水下考古研究中心，而其最重要的任務——“月亮號”的發掘也于同年3月份全面展開（圖1）。

4.2 “洋一號”水下機器人

經過多年借用軍事或工程用水下機器人進行考古發掘后，法國水下考古學家意識到這些機器人并不符合水下考古專業的作業要求。更重要的是，考古學家在現場提出的意見往往會被機器人的設計者或操控者視為非專業、不懂科技的表現。設計、使用一款能夠模擬人類動作，進行符合考古發掘規范發掘，且方便耐用，不需要專業人員在場，可由考古學家獨立操作的水下機器人就成為法國水下考古研究中心追求的目標。美國斯坦福大學、KAUST的紅海研究中心與MEKA Robotics合作開發的Ocean One，隨之進入了考古學家的視野。

Ocean One是一種雙手受力控制的人形機器人，在海洋環境中可提供實時直觀的觸覺交互。其最初的設計理念是創建一個身體具有高度自主權的機器潛水員，并可與人類專家通過直觀的界面互動，其先進的技術可使與其所處環境進行交互[6]。法國水下考古研究中心在見過“海洋一號”的原型機后，對其表示出了濃厚的興趣。在這之后，斯坦福大學研究團隊與DRASSM不斷協商，最終確定了將“海洋一號”用于“月亮號”的發掘實驗中，共同開發水下考古機器人。

在與法國水下考古研究中心的工作接觸中，“海洋一號”研究團隊不斷改進，建造出符合考古發掘要求的機器人。Ocean One是將替代人類考古學家完成在超過50 m深度的海域執行調查發掘任務的機器人，它能夠完成人類潛水員的常見操作，包括器具組合、提取遺址樣品及遺物、清理沉船及遺址表面等，這對于機器人手精細動作的要求極為苛刻。

在設計上，“海洋一號”集導航與雙向操作與立體視覺功能于一體。其下半身是高效的水下導航器，上半身則保留人形，通過觸覺-視覺界面與環境互動③Idem,pp.22.。機身兩側各有4個推進器，其中4個控制偏移和平移運動，4個用于控制垂直平移、俯仰和橫滾，其能夠保證單一推進器發生故障時，其余推進器仍可實現完全的機動性。“海洋一號”的每條手臂有7個關節，采用的是符合7個自由度的電動扭矩控制臂，具有極高的扭矩能力。同時，手臂上還裝有串聯彈性執行器，可提供扭矩反饋，以增強接觸式操作的順應性運動、力控制和安全性[7]。在斯坦福大學的實驗中，為了使Ocean One手指能夠更為靈活地抓取，他們拋棄了使用剛性夾具的設計，而是采用更為柔和的、相對緊湊而輕便的三指系統[8]。這一系統在不降低手臂有效荷載的情況下，其幾何形狀可更好地獲得各種常見的抓握力，包括對框架或工具以及更細小的器物的精準捏緊動作。為了簡化布線以及便于控制，“海洋一號”的雙手各使用1個單向驅動馬達。整個機器人的重量控制在200 kg以下。

在操控方面，“海洋一號”的全身控制器依賴于通過彈性計劃和任務原始模塊生成的任務目標。由彈性規劃允許實時修改路徑，以響應環境中不可預見的變化[9]。全身控制器在處理約束，避免碰撞的同時實現運動和多觸點任務目標,使用宏——迷你高帶寬控制策略來協調身體的手臂運動。該實時控制器運行具有1 kHz的感官反饋，可實現與環境的高響應性交互。手部的相互作用力通過安裝在每個手腕上的6個自由度力/扭矩傳感器來感應。關節位置使用光學測量編碼器，同時使用慣性測量單元（IMU），深度傳感器估算身體的位置和方向和多普勒速度記錄（DVL）。這一系統設計旨在允許人類用戶與機器人進行交互，并使人類可在任何級別的抽象任務中進行干預。一方面，觸覺設備將交互作用力直接輸出到全身控制器。機器人模仿操作員的動作并分享操作員的感知，操作員同時，也看到和感覺到機器人所看所感；另一方面，機器人通過彈性規劃和原始任務模塊，自主執行由操作員制定的計劃。接口設計利用兩個Sigma.7設備盡可能規避遠程延遲，保證向用戶提供了高保真觸覺反饋[10]。

2016年，“海洋一號”正式機投入“月亮號”發掘實驗中。在水中，Ocean One有3個遙控潛水器從旁協助：1臺中型工作級Perseo（配備有5kW LED照明系統）、1臺Sony高清專業攝像機、1臺用于靜止圖像拍攝的Nikon D810；位于Ocean One上方3 m處繩索上的、由LIRMM設計的倫納德研究平臺上，裝有向下看的攝像頭進行跟蹤；阿喀琉斯潛水器用于應對額外攝影需求。在“馬爾羅”號控制室的操作員負責協調水下洋流中4臺設備的間隔，并控制繩索的收放。

2016年4月在對“月亮號”遺址的測試中，4月11日，“海洋一號”首先被下放在海下15 m的地方，進行系統測試。首先測試了Ocean One雙手在水中的操控力，包括操作1條繩索和抓住1個塑料箱子，它還成功與人類潛水員進行了手勢互動。4月12日，“海洋一號”下潛到“月亮號”遺址。由于洋流作用，Ocean One左手肘和前臂被卡在一門大炮之下，僅靠下半身的推進器無法使其脫身。最后，在觸覺交互中，“海洋一號”成功使其手臂獲得自由。在返回“馬爾羅號”進行檢測之后，4月15日，Ocean One重返“月亮號”，并最終成功在指定區域取回1個陶罐④Idem,pp.32.。

這是“海洋一號”在深海發掘中完成的首次測試。它的成功標志著水下考古學家與機器人的合作進入了新階段，機器人代替人類到條件更惡劣、更危險的環境中工作，并達到考古學家的發掘水平；同時也證明機器人將實時的感官感受傳導反饋給人類的設想，已不再是遙不可及的夢想。

5 結束語

“奔向月球”計劃作為一項首次由考古學家主導的大型深海考古發掘實驗項目，參與機構、企業眾多，涉及多個學科，特別是世界領先的深水機器人技術。他們都在考古學家的指揮下，不斷磨合前進，共同探索，為實現科學發掘深海遺址提供了寶貴的實例與經驗，對中國深海考古探索有著重要的借鑒意義。