海洋垃圾有望被清理？“四合一”水下機(jī)器人垃圾分類準(zhǔn)確率或可達(dá)到百分之八十

在地球，有一半的生物在海洋中生存，并且，海洋還為地球提供約一半的氧氣。但海洋污染問題存在已久，僅塑料垃圾就數(shù)量龐大。

據(jù)中國生物多樣性保護(hù)與綠色發(fā)展基金會(huì)發(fā)布的消息，“每年都有多達(dá)1200萬噸塑料垃圾最終流入海洋，預(yù)計(jì)至2040年將增加兩倍。”

海洋垃圾約94%存在于海洋底部，人類如果想徹底地清理海洋垃圾，無論從消耗時(shí)間、費(fèi)用、安全性還是技術(shù)難度來說，都是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

潛水員的清理作業(yè)通常僅在海洋表面，并且工作量和工作效率有限，那么對于具有潛在危險(xiǎn)的深海，清理海洋垃圾是否有更好的選擇？或許可以考慮用機(jī)器人代替人類。

最近，慕尼黑工業(yè)大學(xué)參與了SeaClear項(xiàng)目，該項(xiàng)目由8家機(jī)構(gòu)共同合作，開發(fā)了可收集海底垃圾的機(jī)器人系統(tǒng)。不僅可自主收集海洋垃圾，還將它們分類，并且準(zhǔn)確率有望達(dá)到80%。

此外， 慕尼黑工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2021年11月23日，以《Koopman算子動(dòng)力學(xué)模型：學(xué)習(xí)、分析和控制》為題發(fā)表了相關(guān)論文。

那么，這種機(jī)器人系統(tǒng)有哪些優(yōu)勢？具體是如何工作的？

它使用多波束測深儀掃描海底的目標(biāo)區(qū)域， 產(chǎn)生海底的測深地圖。這用作垃圾收集的參考，有關(guān)垃圾的其他信息如環(huán)境、位置、大小等都可在該“地圖”中獲取。

該機(jī)器人系統(tǒng)并非一個(gè)機(jī)器人，而是結(jié)合了四個(gè)具有不同功能機(jī)器人的“組合”，分別是無人水面艦艇、觀察機(jī)器人、收集機(jī)器人以及空中無人機(jī)。它們既各自作業(yè)，又合作互動(dòng)。

首先，無人水面艦艇對海底的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行初步掃描，特別是一些大型垃圾，如輪胎或管道可能已經(jīng)從測深數(shù)據(jù)中檢測到，同時(shí)被標(biāo)記在地圖。

然后，觀察機(jī)器人Litter潛入海底，針對海底目標(biāo)區(qū)域的小型垃圾進(jìn)行近距離掃描。Litter利用人工智能、深度學(xué)習(xí)對象識(shí)別技術(shù)，通過使用相機(jī)和前視聲納，以及其他傳感器（如金屬探測器）來獲取相關(guān)信息。這些深度網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練，可區(qū)分海洋垃圾和海洋生物，從而確保系統(tǒng)只收集海洋垃圾而不會(huì)牽連其他。

空中無人機(jī)與無人水面艦艇用數(shù)據(jù)系繩連接。如果海水足夠清澈，空中無人機(jī)在空中可幫助識(shí)別更多的海洋垃圾（如大垃圾袋）;如果水域較渾濁，該無人機(jī)則通過掃描目標(biāo)區(qū)域周圍的障礙物提供幫助。

根據(jù)無人水面艦艇、觀察機(jī)器人、空中無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)，它們的結(jié)果綜合后會(huì)生成虛擬地圖，收集機(jī)器人Tortuga根據(jù)地圖上垃圾的定位點(diǎn)進(jìn)行有序的垃圾收集。它使用定制的抓手將較大的碎片放入收集籃中，待垃圾任務(wù)結(jié)束收集籃再由船拖到岸邊。

在一些復(fù)雜的海洋環(huán)境中，它也可以有條不紊地進(jìn)行垃圾采集。比如當(dāng)垃圾在海洋植物之間，Tortuga會(huì)根據(jù)情況，使用抽吸裝置或高精度地采集。

簡單來說，機(jī)器人系統(tǒng)清理海洋垃圾的程序?yàn)閽呙瓒ㄎ弧⒂^察海底環(huán)境、提供環(huán)境數(shù)據(jù)、收集垃圾放入收集籃、將收集籃由船收回。

SeaClear首席研究員桑德拉·希爾奇教授表示，機(jī)器人的計(jì)算能力仍然是一個(gè)棘手的問題，他說道：“我們沒有連接到配備超級(jí)計(jì)算機(jī)的大型數(shù)據(jù)中心，因此，需要在有限資源下運(yùn)行的高效算法，我們正在使用高效采樣方法，以最少的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確預(yù)測，人工智能系統(tǒng)只是丟棄了不必要的信息。”

據(jù)SeaClear估算，未來該機(jī)器人系統(tǒng)投入運(yùn)行，海底垃圾分類準(zhǔn)確率可達(dá)到80%，并可有效回收其中的90%，這與潛水員清理海洋垃圾的工作效率相當(dāng)。

2021年10月，該系統(tǒng)原型機(jī)的初步試驗(yàn)在克羅地亞杜布羅夫尼克完成，該區(qū)域海水清澈，能見度條件好。相關(guān)工作人員表示，2022年5月，他們計(jì)劃在德國漢堡港進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。