水下機器人在中國的早期發展

梁波 趙宏宇 王楠

地球總面積約5.1億千米2，其中海洋約3.61億千米2，占地球表面積的71%。人類每天獲取的蛋白質中有20%來自海洋，她是人類的搖籃，也是地球上大部分生物的棲息地。今天，海洋是超過90%的商品、數據與信息交流的中轉站；明天，海洋對人類的生活將更加重要。2000多年前，古羅馬哲學家西塞羅（M. T. Cicero）就曾說過，“誰控制了海洋，誰就控制了世界”。

那些極大改變人類社會面貌的技術革新，大多是在海上或是因航海而誕生的[1]，水下機器人也是如此。它是人類認識海洋、經略海洋和開發海洋的利器，一直為世界海洋強國所關注和重視。它通過水下目標探測和識別、水下導航定位、水下通信等高技術手段，可實現水下打撈救援、水下探測、資源開采等多種任務。

人類抵近海內部進行探索已有一百多年的歷史，其間，各種潛水器應運而生。早在1884年，法國科學家第一次潛入西西里島附近的海域進行水下考察。1927年，蘇聯地質學家科列諾夫（M. B. Korenov）乘坐鐘形潛水裝置潛入45米水深處，進行觀察和搜集土壤樣品。1930年代，蘇聯生物學家采用潛水裝具對漁業區進行了科學觀測。同一時期，意大利、法國和美國也都進行了水下考察，美國的畢比（W. Beebe）還曾在百慕大群島乘潛水球深潛到960米深處[2]。

1953年，美國研制出第一艘作業型潛水器。20世紀五六十年代，由于水下機器人所涉及的新技術還不夠成熟，如電子設備故障率高、通信匹配差、臍帶電纜絞纏，以及吊放和回收等問題沒有很好解決，因此難以被市場廣泛接受，發展緩慢。直至1966年，美國CURV水下機器人在西班牙沿海將失落在868米深處的氫彈打撈上來后，水下機器人才開始受到廣泛重視[3]。1975年以后，由于海底石油和天然氣的開發需求以及電子技術的發展，國際上水下機器人研究才顯露出快速發展的苗頭。但直到此時，這項工程技術在中國幾乎還是一片空白。

現代意義上的水下機器人歷史不過七十年左右，經歷了從載人到無人，從直接操作、遙控、自主到混合幾個階段。加拿大國際潛水器工程公司（ISE）總裁麥克法蘭（J. R. McFarlane）認為，水下機器人經歷了四次革命：第一次革命出現在1960年代，以潛水員潛水和載人潛水器的應用為主要標志；第二次革命出現在1970年代，以遙控水下機器人迅速發展成為一個產業為標志；第三次革命發生在1990年代，以自主水下機器人走向成熟為標志；第四次革命發生在21世紀，水下機器人進入了各種類型混合的發展階段[4]。中國的情況大致與國外類似，但所用時間更短。

中國水下機器人研究究竟始于何時，目前在業內尚未達成統一的共識，普遍認為“起步于1980年代或1970年代末期”。

中國科學院有著集多科學、先進技術知識、尖端科技人才、完善的科研中心與基地、廣泛的國際科技合作、活躍的學術環境為一體的優勢，因勢利導，在國內最先重視水下機器人的研究與開發，中國科學院沈陽自動化研究所（簡稱沈陽自動化所）則是國內最早開展機器人研究的單位。

1972年10月，在中國科學院于沈陽召開的“電子·自動化科研工作座談會”上，確定“以控制機系統研究為主，同時開展……人造智力系統的探索”[5]，這是沈陽自動化所最早給出的與機器人相關的表述。1973年12月，沈陽自動化所官方資料首次使用了“機器人”一詞，該所制訂的《1974—1980年科研規劃》提出，“人造智力的研究與應用，是自動化發展的趨向”“人造智力是近十幾年發展起來的自動化領域內的新學科，它是人賦予機器有模擬人類某些智力行為的自動化系統”[6]，將“智力機器人的研究”作為人造智力方向擬開展的八項研究課題之一，并把“智力機應用于海底開采的探索研究”作為“待定”任務。該所還同時提出與“水下機器人”相關的研究課題。

1974年5月，在向中國科學院的匯報中，沈陽自動化所首次提交“開展人工智能和機器人技術研究”的立項申請，正式提出將人工智能與機器人作為該所的學科發展方向，在國內率先開展機器人理論與應用研究。中國人工智能與機器人學領域的主要開拓者和奠基人之一蔣新松院士認為：“我國的機器人技術起步較晚，但將機器人技術作為一個專門學科介紹到國內來并不晚。大致是在七十年代初，世界范圍內第一次機器人高潮的末尾。”[7]

1977年10月，中國科學院自然科學學科規劃會議將機器人項目列入學科規劃。同年8月，沈陽自動化所編制的《1978—1985年科研發展規劃》提出，“由于深海海底開發是一個綜合性的技術，它涉及很多其他學科如海洋學、深海機械、海底測量、深海信息傳輸等的問題，要多學科協同工作”。[8]該發展規劃列出的未來八年內重點研究的八個項目中，“海底用自動機械的研制”“海底定位與姿態控制”兩項直接與水下機器人相關。

1979年8月，為了落實學科規劃，中國科學院成立了以蔣新松為組長的人工智能與機器人赴日考察組。考察組考察后認為，“我國需要研究機器人，在我國當時勞動力豐富的情況下，搞特種機器人容易得到用戶和領導支持，特種機器人的應用將是我國機器人研發的突破口”。[9]考察組隨即就如何立題進行了討論，最后集中到兩種可能的情況，“一類是核輻射下應用的機器人，另一大類就是海洋機器人”。后來就提出以第二個課題作為研究的目標，[10]水下機器人自此成為中國機器人研究的“突破口”。同年10月26日，沈陽自動化所與中國科學院長春光學精密機械研究所（簡稱長春光機所）聯合調查組提交了《我國需要研制海洋機器人》的初步調查情況匯報[11]，匯報中首次明確提出“海洋機器人”一詞，而“水下機器人”一詞大致是在1980年代后期開始使用并沿用至今，二者并無本質區別。不久后的12月7日至10日，中國科學院又在沈陽組織召開了“海洋機器人”計劃座談會，共有10家單位30名代表參加了會議。會議議題包括：對海洋機器人研究進行課題論證；討論研究工作計劃和分工協作方案；組織總體組；草擬開展海洋機器人研究工作報告。沈陽自動化所在會上作了“關于開展海洋智能機器人研究的設想”的報告[12]，與會代表一致支持開展這一課題研究。會議做出的一項重要決定就是在1980年組織開展全國性的課題調研工作，從對水下機器人概念的理論探討轉到課題預先研究的實際行動，中國水下機器人事業的大幕由此拉開。

1980年2月，中國科學院下發《關于開展海洋機器人總體調研和預先研究工作的通知》，由沈陽自動化所和長春光機所牽頭總體調研和預先研究，明確指出“海洋機器人研究課題已列入一九八〇—八一年重點科研項目計劃。……在全面開展研究工作之前，應著重抓好總體調研、方案論證和預研工作”。[13] 4月初至5月中旬，由蔣新松帶隊，中國科學院所屬的沈陽自動化所、長春光機所、海洋研究所、南海海洋研究所組成的聯合調研組一行11人，對二十多家單位開展大規模調研，召開各類座談會十余次，并召集海洋科學家、海軍指戰員、打撈人員、潛水員等參與，大家共同呼吁亟需開發新的水下探測及作業裝置——水下機器人，最終形成調研報告并報送中國科學院。6月12日至14日，在沈陽自動化所召開“海洋機器人調研總結和工作討論會”，著手考慮總體方案；16日，以密件形式向中國科學院報送了《海洋機器人調研匯報和工作討論會簡報》。與會者認為，“在我國進行海洋機器人研究，一是需要，二是可能”，會議預定“年底拿出初步方案，擬在年底召開審議會”。[14]

1980年9月28日，沈陽自動化所在報送給中國科學院的《1981—1990十年科研發展規劃》中提出：“五年內完成第一代能在大陸架海底進行觀察和簡單操作的有纜游式海洋機器人；逐步開展第二代監控式海洋機器人單項技術的預研工作。十年內完成能自行回避障礙的監控式第二代機器人，并投入使用。為此，……開展和完成海洋機器人水下觀測電視系統，水下圖像處理和物景分析，機器人感覺、滑覺、接近感覺等方面的研制工作。”[15]這些研制任務是沈陽自動化所水下機器人事業長遠發展的基礎。

1981年11月上旬，在沈陽友誼賓館召開了“海洋機器人研究課題評議會”，李薰、陶亨咸、張作梅、張鐘俊、楊嘉墀、常迥六位學部委員（院士）與會，一致同意立項，并根據李薰建議將課題名稱定為“智能機器在海洋中的應用”。11月20日，沈陽自動化所向中國科學院提交《關于“智能機器在海洋中的應用研究”列為我院重點課題的申請報告》。

1982年8月，在杭州莫干山召開的“無人有纜可潛器方案評議會”上，代表們一致認為，近年來隨著我國海上石油開發、海洋調查、海洋工程和救撈事業的發展，當前研制的無人有纜可潛器是我國海洋事業發展迫切需要的工具，對“四化”和國防建設都有重要的現實意義，應予積極支持。沈陽自動化所及時預見發展趨勢，提出了相關研究課題，并主動與上海交通大學等單位合作，適應了國家的需要，與會代表對此一致給予充分的肯定。當月，“智能機器在海洋中的應用（‘HR-01’試驗樣機）”被列為中國科學院重點課題，獲經費支持并全面開展研制。

“海人一號”（HR-01）水下機器人由水面支持和機器人本體兩大部分構成，主要性能指標達22項之多。水面支持部分包括供電系統、控制室、電纜絞車、聲納定位系統；機器人本體為框架式結構，便于安裝其他海洋儀表，本體運動為浮游方式。經過兩年多的不懈努力，“海人一號”在沈陽自動化所完成總裝調試后，于1985年底至1986年初，在大連海域進行了整機功能試驗。1986年底至1987年初，它又在海南島海域進行了測試。1987年8月，舉辦了“海人一號”鑒定會。會議認為，“海人一號”達到了設計指標要求，在技術上居于國內領先地位；填補了國內空白；控制系統達到了國外1980年代初期產品相應系統的水平。“海人一號”順利通過鑒定，標志著中國自主研制的中國第一臺水下機器人正式誕生。

“海人一號”的研制工作是中國科研人員完全依靠自主技術和立足于國內配套條件開展的，是中國水下機器人發展史上的一個重要里程碑。以蔣新松、封錫盛等為代表的中國第一代水下機器人專家為此做出了開創性貢獻，中國水下機器人由此掀開了波瀾壯闊的宏偉篇章，沈陽自動化所也因此奠定了國內水下機器人研發的領先地位。

通過對早期水下機器人領域重要事件的梳理，從概念提出、規劃編制、初步調查、需求調研、預先研究、方案論證、課題申報，直到項目審批和“海人一號”研制完成，重要時間節點主要集中在1979年至1982年期間，尤以1980年開展的全國性調研及此后形成技術方案、確定任務目標和建立全國性協作網絡等工作為最重要的時間節點，故認定1980年為中國水下機器人研究的起始年——元年，較為符合歷史客觀情況。

水下機器人是一個跨學科的研究領域，是多學科、高技術的系統集成，知識和技術密集，涉及光、機、電、聲學以及自動控制、計算機、材料、腐蝕、密封、數據和圖像處理、水下作業等多種技術的綜合運用。因此，每種型號的水下機器人研制都需要多家單位和多領域的專家學者協作配合。水下機器人研究是一項集體性的事業，團隊精神和大協作是成功的保證，在“海人一號”研究試制過程中，除牽頭的沈陽自動化所外，參與研發的還有上海交通大學、中國科學院聲學研究所等多家單位，這些協作單位及其科研人員所做的工作也不應被忘記。

[1]雅克阿塔利. 海洋文明小史. 王存苗， 譯. 北京：中信出版社， 2020： ⅹ.

[2]亞斯特列鮑夫. 水下機器人. 關佶，等，譯. 北京：海洋出版社， 1984： 1.

[3]蔣新松， 封錫盛， 王棣棠. 水下機器人. 沈陽： 遼寧科學技術出版社， 2000： 17.

[4]McFarlane J R. Tethered and untethered vehicles： the future is in the past. Mar Technol Soc J， 2009， 43： 9-12.

[5]沈陽自動化所. 中國科學院沈陽自動化研究所所志·第一卷（1958—1985）. 沈陽： 沈陽自動化所， 2004： 12.

[6]沈陽自動化所. 科研規劃草案第四次討論稿. 中國科學院檔案館B105-79號檔案， 1973-12-1： 4-8.

[7]蔣新松. 國外機器人的發展及我們的對策研究. 機器人， 1987（1）： 58-65.

[8]沈陽自動化研究所. 中國科學院沈陽自動化研究所科研發展規劃（研究方向部分）. 中國科學院檔案館B105-00151-001號檔案， 1977-8-16： 10.

[9]劉海波. 二十世紀七十年代的學科發展及歷史意義//中國科學院沈陽自動化研究所. 中國科學院沈陽自動化研究所50周年紀念冊.沈陽： 中國科學院沈陽自動化研究所， 2008： 102.

[10]蔣新松. 關于“海人一號”研制過程的總結. 沈陽自動化所綜合檔案室B105-KY-00030-006號檔案， 1987-8-12： 1-2.

[11]沈陽自動化研究所， 長春光學精密機械研究所聯合調查組.我國需要研制海洋機器人. 沈陽自動化所綜合檔案室B105-KY-00044-002號檔案， 1979-10-26： 1-5.

[12]沈陽自動化研究所. 關于開展海洋智能機器人研究的設想. 沈陽自動化所綜合檔案室B105-KY-00044-003-001號檔案， 1979-12-8： 1-6.

[13]中國科學院. 關于開展海洋機器人總體調研和預先研究工作的通知. 沈陽自動化所綜合檔案室B105-KY-00046-022號檔案， 1980-2-25： 1-2.

[14]海洋機器人調研匯報和工作討論會簡報. 沈陽自動化所綜合檔案室B105-KY-00045-014號檔案， 1980-6-16： 5-6.

[15]沈陽自動化研究所. 中國科學院沈陽自動化研究所1981-1990十年科研發展規劃. 沈陽自動化所綜合檔案室B105-WS-00008-001號檔案， 1980-9-28： 16.

關鍵詞：水下機器人 沈陽自動化研究所 海人一號 ■