游弋在海底的小精靈

高峰

歷經1.4萬海里、79天的風浪考驗，于2021年7月12日出發(fā)的中國第十二次北極科考隊圓滿完成科考任務，隨著“雪龍2”號科考船緩緩停靠在位于上海的中國極地考察國內基地碼頭，科考隊成員連日來緊繃著的神經也逐漸放松。

在這次科考任務中，“探索4500”自主水下機器人（以下簡稱“探索4500”）表現(xiàn)出色，成功完成北極高緯度海冰覆蓋區(qū)的科學考察作業(yè)。這是我國首次利用自主水下機器人在北極高緯度地區(qū)開展海底科考活動，“探索4500”成功下潛獲取的寶貴數據資料，將為北極環(huán)境保護提供重要的科學支撐。

“探索4500”的外觀酷似一條大黃魚，和普通的無人水下機器人相比，“探索4500”的自主能力更強，沒有遙控水下機器人那樣與母船連接的纜線設備，不需要人工干預就能夠實現(xiàn)自主航行和執(zhí)行海底探測任務，且續(xù)航時間更長，工作范圍也更廣。

在極地高緯度地區(qū)，科考母船會在海風、洋流等自然因素的影響下發(fā)生位移，致使水下機器人的下潛和回收難以在一個相對固定的區(qū)域內實現(xiàn)，冰層也會阻礙科考母船和水下機器人之間的通信。這些困難就要求水下機器人擁有自主導引能力，能夠準確接收科考母船的指令，根據自身設備的狀態(tài)調整運行軌跡，并在回收過程中逐漸向科考母船靠攏，從而實現(xiàn)自動、安全回收。

針對此次北極科考的工作區(qū)有高密集度的海冰覆蓋的特點，科研人員創(chuàng)造性地研發(fā)出了聲學遙控和自動導引相結合的冰下回收技術，確保“探索4500”可以連續(xù)下潛成功，并能安全回收。

除此之外，科研人員還增加了應急信標，用于下潛器上浮后卡在冰層下或浮到肉眼無法確定的位置時，進行較為準確的定位。

此外，“探索4500”在持續(xù)工作一段時間后，就能夠像我們人類一樣感知自己的身體狀態(tài)，從而做出正確的選擇。

極地海洋的許多區(qū)域長年被海冰覆蓋，對海冰特征和冰下海域進行考察是極地考察的重要組成部分。極地科考一直是水下機器人發(fā)展的重點方向。近些年來，先后有4種類型6臺無人水下機器人參加了8次極地科考，為我國極地科考做出了重要貢獻。 水下機器人在極地科考中主要承擔三方面的任務：一是對浮冰的觀察和探測，了解浮冰的厚度、狀態(tài)、運動情況等;二是測量水體參數，了解水的深度、溫度、鹽度等;三是進行海底地形地貌的精細探測，在此基礎上也可以發(fā)現(xiàn)海底的一些礦產資源。

傳統(tǒng)的海冰考察方法，是在海冰上鉆孔，這種方法不僅效率較低，而且獲得的數據有限，具有很大的局限性。水下機器人則不受海冰的影響，可以到達一些人類無法到達的區(qū)域，可以更大范圍、更大深度、更長時間地進行科學考察。而且，水下機器人取樣靈活準確，有助于提高采集樣品的質量，增加采集樣品的數量。

科考人員可以通過在水下機器人機身上安裝的攝像機、照相機以及成像聲吶等設備，直觀地觀察極地的水下世界。

早在20世紀70年代，一些國家就開始研發(fā)用于極地考察的無人水下機器人，目前主要是遙控式（有纜）水下機器人和自主式（無纜）水下機器人兩種類型。 我國從20世紀80年代開始進行水下機器人的研發(fā)，但極地科考水下機器人在近10年才有了飛躍式發(fā)展，這期間我國研發(fā)出來的多種水下機器人，都成功應用在了極地科考事業(yè)上。

如今水下機器人在深度上已經實現(xiàn)了從水面到水下1.1萬米全覆蓋，航程上也實現(xiàn)了幾海里到幾千海里全覆蓋。目前我國水下機器人在主要功能和性能指標方面，都已經達到了國際先進水平。

隨著水下機器人譜系化發(fā)展，其應用領域也越來越廣泛，面臨的作業(yè)環(huán)境也越來越復雜。除了極地，水下機器人目前還在青藏高原的高原湖、太平洋的馬里亞納海溝持續(xù)開展科學考察。這些區(qū)域的環(huán)境都極為復雜，對水下機器人的自主控制技術提出了更高的要求。