基于海洋機(jī)器人的科學(xué)觀測與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與展望

盧曉亭，俞建成，孫朝陽，王 旭

（1.中國人民解放軍31016 部隊(duì)，北京 100086；2.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016）

海洋科學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)密集型科學(xué)[1]。隨著海洋機(jī)器人技術(shù)與傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，海洋科學(xué)考察經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的船基采樣分析到海洋機(jī)器人現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的發(fā)展歷程[2]，極大地提高了數(shù)據(jù)獲取效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量[3]，促進(jìn)了海洋科學(xué)的發(fā)展。

用于科學(xué)觀測的海洋機(jī)器人主要包括水下滑翔機(jī)、AUV、無人帆船和波浪滑翔機(jī)等。21 世紀(jì)以來，物理海洋研究領(lǐng)域借助海洋機(jī)器人的觀測技術(shù)取得了革命性進(jìn)展。為了更加科學(xué)精確地開展海洋生物地球化學(xué)研究，海洋生物地球化學(xué)領(lǐng)域也開始利用海洋機(jī)器人技術(shù)解決原位觀測與實(shí)驗(yàn)問題，即將傳統(tǒng)生地化科學(xué)采樣與實(shí)驗(yàn)技術(shù)和海洋機(jī)器人技術(shù)相融合，發(fā)展出了基于海洋機(jī)器人的海洋生地化原位采樣、培養(yǎng)與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

本文從海洋機(jī)器人科學(xué)觀測和科學(xué)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)應(yīng)用維度出發(fā)，以水下滑翔機(jī)、AUV 和無人帆船3 種典型的海洋機(jī)器人為例，概述海洋機(jī)器人在科學(xué)觀測和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合未來海洋科學(xué)研究對海洋觀測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的需求，對技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 基于海洋機(jī)器人的科學(xué)觀測

觀測對于海洋科學(xué)研究至關(guān)重要，觀測資料缺乏是制約海洋科學(xué)發(fā)展的瓶頸。海洋機(jī)器人可以搭載豐富的科學(xué)載荷，實(shí)現(xiàn)海水溫鹽、溶解氧、葉綠素、硝酸鹽、pH、近海大氣風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等海洋環(huán)境要素的現(xiàn)場動(dòng)態(tài)精細(xì)觀測，為物理海洋學(xué)、海洋化學(xué)和海洋生物學(xué)等研究提供觀測數(shù)據(jù)。水下滑翔機(jī)、AUV 和無人帆船是3 種典型的觀測型海洋機(jī)器人，已在國內(nèi)外海洋科學(xué)觀測中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 水下滑翔機(jī)海洋科學(xué)觀測應(yīng)用

水下滑翔機(jī)是一種依靠浮力驅(qū)動(dòng)的海洋機(jī)器人，具有實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程可控、長續(xù)航力等優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)多尺度海洋過程的機(jī)動(dòng)、高分辨率、精細(xì)觀測。美國先后研制出Spray[4]、Seaglider[5]和Slocum[6]等多種型號水下滑翔機(jī)。日本、法國、加拿大等國家也開展了水下滑翔機(jī)的研究工作。我國水下滑翔機(jī)研究始于2003 年，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、天津大學(xué)、中國船舶集團(tuán)第七一茵研究所、中國船舶集團(tuán)第七茵二研究所、西北工業(yè)大學(xué)、中國海洋大學(xué)、上海交通大學(xué)等多家單位開展了水下滑翔機(jī)研究工作，為我國水下滑翔機(jī)技術(shù)的進(jìn)步做出了積極貢獻(xiàn)。目前主要形成了“海翼”和“海燕”兩型水下滑翔機(jī)實(shí)用裝備，在海洋科學(xué)觀測中得到了應(yīng)用。圖1 為中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研發(fā)的“海翼”系列化水下滑翔機(jī)。

圖1 “海翼”系列水下滑翔機(jī)

面向深遠(yuǎn)海觀測，水下滑翔機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)包括：大深度輕質(zhì)耐壓結(jié)構(gòu)技術(shù)、深海自適應(yīng)節(jié)能浮力調(diào)節(jié)技術(shù)、觀測路徑精確自主跟蹤控制技術(shù)。

隨著作業(yè)深度的增加，使用鋁合金建造耐壓殼體時(shí)需要較厚的壁厚以抵御外部壓力，但壁厚的增加導(dǎo)致重量增加、浮力不足。針對該問題，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所突破了深海碳纖維復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和大厚度深海碳纖維復(fù)合材料耐壓結(jié)構(gòu)成型工藝與基材防水密封封閉技術(shù)，研制出了碳纖維耐壓艙并在“海翼”7 000 米級水下滑翔機(jī)上得到了成功應(yīng)用。盧法良[7]提出了陶瓷耐壓艙結(jié)構(gòu)，以碳化硅陶瓷作為耐壓艙圓柱殼體材料，碳化硅陶瓷圓柱殼體與半球形鋁合金封頭裝配密封形成耐壓艙整體結(jié)構(gòu)。鄒達(dá)明[8]通過對殼體的耐壓優(yōu)化提高了滑翔機(jī)續(xù)航能力，并對不同優(yōu)化算法進(jìn)行了比較。

海水密度在深度方向上具有顯著差異，7 000 m深海水密度比海面海水密度高3.3%，產(chǎn)生的浮力增量是水下滑翔機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力的6 倍。為實(shí)現(xiàn)正常下潛，需要發(fā)展深海自適應(yīng)節(jié)能浮力調(diào)節(jié)技術(shù)，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所提出了一種基于高可壓縮液體的自適應(yīng)節(jié)能浮力調(diào)節(jié)技術(shù)，減小了深海密度差引起的浮力影響。WANG S 等[9]提出了雙浮力驅(qū)動(dòng)的大深度滑翔機(jī)“海燕-X”，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)浮力調(diào)節(jié)，下潛可達(dá)8 213 m，仿真效果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

水下滑翔機(jī)的觀測作業(yè)模式一般包含斷面觀測、虛擬錨系和目標(biāo)跟蹤。上述作業(yè)模式中的核心問題是路徑跟蹤，水下滑翔機(jī)路徑跟蹤控制的難點(diǎn)包括：運(yùn)動(dòng)速度與海流速度量級相同、反饋控制周期長達(dá)數(shù)小時(shí)、實(shí)時(shí)環(huán)境海流信息難以獲得。針對上述問題，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所提出了基于等效滑翔運(yùn)動(dòng)模型的環(huán)境深平均流估計(jì)方法、基于時(shí)間序列預(yù)測的深平均流預(yù)測方法、基于預(yù)測深平均流的前饋?zhàn)灾鞲櫩刂品椒?，?shí)現(xiàn)了水下滑翔機(jī)觀測路徑的精確自主跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)測得虛擬錨系誤差圓直徑1 km 內(nèi)位置概率分布為56%、誤差圓直徑2 km 概率分布為82%。宗正等[10]通過海表高度異常資料判斷待測中尺度渦的位置、范圍和移動(dòng)方向，利用2 臺水下滑翔機(jī)分別在中尺度渦移動(dòng)方向和移動(dòng)方向法向的路徑上做正交路徑的剖面觀測，進(jìn)行中尺度渦的溫鹽測量。

水下滑翔機(jī)作為一種續(xù)航能力較強(qiáng)的自主觀測平臺，已經(jīng)應(yīng)用在很多海洋觀測任務(wù)中，并取得了大量的精細(xì)觀測數(shù)據(jù)[11-12]，在海洋中尺度渦旋觀測方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。我國“海翼”號水下滑翔機(jī)先后開展了多次海洋中尺度渦觀測應(yīng)用，取得了大量的中尺度渦垂直剖面數(shù)據(jù)[13]。ZHAO W 等[14]基于Kalman 濾波器融合了數(shù)十年的歷史數(shù)據(jù)信息和當(dāng)前觀測數(shù)據(jù)，提出了基于中心運(yùn)動(dòng)預(yù)測的水下滑翔機(jī)自主跟蹤中尺度渦的控制方法，并成功在海上試驗(yàn)中驗(yàn)證了方法的有效性。2017 年，12 臺“海翼”水下滑翔機(jī)在南海東北部開展了為期一個(gè)月的中尺度渦旋組網(wǎng)觀測，如圖2 所示。此外，2017 年青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室牽頭開展了以“海燕”水下滑翔機(jī)為代表的針對海洋中尺度渦的海洋立體綜合觀測網(wǎng)的構(gòu)建及觀測任務(wù)。JIANG C 等[15]通過兩次海試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明滑翔機(jī)在水聲觀測和目標(biāo)探測中的應(yīng)用，研究結(jié)果表明，滑翔機(jī)在長期大規(guī)模水下被動(dòng)傳感方面具有一定的優(yōu)勢。PORTER M 等[16]使用水下滑翔機(jī)的高分辨率現(xiàn)場數(shù)據(jù)來識別極地鋒面區(qū)域被遙感觀測覆蓋的表面渦流。除了開展中尺度渦觀測之外，SWART S 等[17]使用水下滑翔機(jī)收集了南極夏季亞中尺度分辨率的觀測數(shù)據(jù)，揭示了強(qiáng)耦合的大氣-海洋過程。SHEEHAN P M F 等[18]通過水下滑翔機(jī)完成北海聯(lián)合信息系統(tǒng)（The Joint North Sea Information System，JONSIS）線，以高空間和時(shí)間分辨率觀察水流。BAUMGARTNER M F 等[19]使用水下滑翔機(jī)陣列監(jiān)測鯨魚，滑翔機(jī)在惡劣天氣條件下的持續(xù)使用，使得對鯨魚發(fā)聲行為和海洋性條件的連續(xù)觀察成為可能。

圖2 開展組網(wǎng)觀測的12 臺“海翼”水下滑翔機(jī)

1.2 AUV 海洋科學(xué)觀測應(yīng)用

AUV 由于具有高機(jī)動(dòng)性能，被廣泛應(yīng)用于海洋要素的高精度觀測任務(wù)中[20-22]。20 世紀(jì)90 年代開始，AUV 進(jìn)入高速發(fā)展階段，美國和英國等世界海洋強(qiáng)國研制出了多種AUV 并進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，包括美國的REMUS、Bluefin 及挪威的HUGIN 等。此外，為實(shí)現(xiàn)AUV 對海洋特征長時(shí)間、大范圍的觀測，英美兩國先后研發(fā)了Autosub 系列和Tethys系列長航程AUV（圖3），并在相關(guān)領(lǐng)域取得大量的研究成果。

圖3 國外代表性長航程AUV

在精細(xì)化、智能化、自主化等高性能觀測目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，越來越多的學(xué)者致力于海洋環(huán)境智能觀測應(yīng)用研究。其中，水下精準(zhǔn)定位與導(dǎo)航技術(shù)是制約AUV 精細(xì)化觀測海洋環(huán)境要素的主要關(guān)鍵技術(shù)，尤其當(dāng)AUV 航行在無線電信號和多普勒速度儀（Doppler Velocity Log，DVL）對底速度無效時(shí)的中層水域環(huán)境中，AUV 的導(dǎo)航與定位精度將嚴(yán)重受到洋流的干擾。同時(shí)，隨著AUV 應(yīng)用場景的豐富，科學(xué)觀測對其自主能力的要求也在增加，相比于AUV傳統(tǒng)的預(yù)編程調(diào)查路徑，能夠根據(jù)觀測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整AUV 調(diào)查策略的自主采樣方法，是實(shí)現(xiàn)其智能化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，為了提高AUV 采樣效率，多異構(gòu)平臺協(xié)同觀測方法也是備受關(guān)注。

為保證AUV 在大范圍海洋科學(xué)觀測任務(wù)中的航行精度，英國國家海洋中心SALAVASIDIS G 等[25]針對AutosubLRAUV 在北極海冰觀測任務(wù)，評估了在不需要外部校準(zhǔn)，同時(shí)依靠少量低功耗傳感器和稀疏的水深圖情況下，地形輔助導(dǎo)航（Terrain Aided Navigation，TAN）是否可以支持AutosubLR AUV進(jìn)行多月航行。在該工作之前，SALAVASIDIS G 等[26]使用南大洋執(zhí)行的3 次深海和遠(yuǎn)程任務(wù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對TAN 算法的導(dǎo)航和定位精度進(jìn)行了離線驗(yàn)證，并進(jìn)一步評估TAN 算法在不同地圖分辨率下的有效性[27]。同樣為提高Tethys 系列長航程AUV 在動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中的航行精度，ALAM T 等[28]將AUV 運(yùn)動(dòng)不確定性和傳感器不確定性與海洋環(huán)境中洋流的感知結(jié)合在一起，通過引入部分可觀測馬爾可夫決策過程（Partially Observable Markov Decision Process，POMDP）模型降低洋流對AUV 運(yùn)動(dòng)的干擾。在智能化方面，CRUZ N A 等[29-30]針對海洋溫躍層的觀測問題，提出了使用垂直溫度梯度檢測溫躍層的方法實(shí)現(xiàn)對溫躍層的跟蹤，并在葡萄牙北部杜羅河大壩水庫進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，充分驗(yàn)證了AUV 在海洋溫躍層跟蹤觀測任務(wù)中的機(jī)動(dòng)性。PETILLO S 等針對AUV自主采樣任務(wù)提出“環(huán)境自適應(yīng)評估” （Autonomous Adaptive Environmental Assessment， AAEA）概念，并成功將該概念應(yīng)用到溫躍層與鋒面的跟蹤任務(wù)中[31-32]。

為克服動(dòng)態(tài)環(huán)境帶來的時(shí)空變化的影響，F(xiàn)OSSUM T O 等[33]介紹了一種使用AUV 進(jìn)行三維特征采樣算法的試驗(yàn)方法和結(jié)果，在有限能源和時(shí)間約束下，AUV 首先對感興趣的區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)特征空間分布估計(jì)，然后根據(jù)所獲得的信息實(shí)施快速、集中的采樣任務(wù)。為降低人在海洋觀測任務(wù)中的角色，ZHANG Y 等[34]針對捕獲深層葉綠素含量峰值層（Deep Chlorophyll Maximum，DCM）問題設(shè)計(jì)了用于拉格朗日研究的協(xié)調(diào)自主機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩臺采樣的AUV 和一臺充當(dāng)通信中繼器的波浪滑翔機(jī)組成。

國內(nèi)在使用AUV 進(jìn)行海洋科學(xué)觀測應(yīng)用方面尚處于起步階段。TIAN Y 等[35]提出了一種基于行為的化學(xué)羽流自適應(yīng)跟蹤方法，并在視覺圖像中采用模糊顏色提取器來分割顏色成分，通過測量顏色相似性來識別化學(xué)羽流及其來源。2010 年10 月在大連灣進(jìn)行了水下試驗(yàn)，AUV 在追蹤羅丹明染料羽流后，成功地確定了污染源位置。隨后作者將方法擴(kuò)展到三維的熱液羽流噴口的定位工作中，并開展仿真驗(yàn)證[36]。FENG H 等[37]針對動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境中溫躍層的觀測問題，利用“海鯨”輕型長航程AUV（圖4），提出了一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制器，能夠感知AUV 的軌跡是否覆蓋目標(biāo)溫躍層。該方法引入了垂直溫度梯度變化指數(shù)來表征溫躍層的復(fù)雜性，并通過自適應(yīng)擴(kuò)展工作深度成功引導(dǎo)AUV 實(shí)現(xiàn)對溫躍層的覆蓋性觀測。2020 年9 月，在南海西沙海域針對兩種不同分布類型的溫躍層開展跟蹤工作，跟蹤結(jié)果與船載溫鹽深儀（Conductivity Temperature Depth，CTD）站取樣結(jié)果基本相同，如圖緣所示。

圖4 “海鯨”輕型長航程AUV

圖5 “海鯨”AUV 自適應(yīng)跟蹤溫躍層

1.3 無人帆船海洋科學(xué)觀測應(yīng)用

無人帆船是一種以海洋環(huán)境能源為驅(qū)動(dòng)，可以勝任遠(yuǎn)距離作業(yè)的多用途新型海洋移動(dòng)觀測平臺，其以風(fēng)力作為航行驅(qū)動(dòng)力，以太陽能電池板等獲取電能供給控制系統(tǒng)和負(fù)載使用。與無人艇等傳統(tǒng)海洋移動(dòng)觀測平臺相比，無人帆船可實(shí)現(xiàn)低成本的長航時(shí)、大范圍、高時(shí)空分辨率海洋觀測，尤其是海氣界面的海表氣象數(shù)據(jù)和次表層海洋數(shù)據(jù)等海洋環(huán)境要素精細(xì)觀測，現(xiàn)已成為國際海洋機(jī)器人的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)開展業(yè)務(wù)化運(yùn)營的無人帆船如圖6 所示。

圖6 國外代表性無人帆船

目前無人帆船的關(guān)鍵技術(shù)主要聚焦于高海況適應(yīng)性技術(shù)、風(fēng)能高效利用技術(shù)和智能航行控制技術(shù)等。現(xiàn)有無人帆船主要用于近海觀測，在高海況適應(yīng)性方面的研究較少。隨著作業(yè)海域的擴(kuò)大、作業(yè)時(shí)間的延長、應(yīng)用場景的豐富，無人帆船遭遇高海況的概率越來越高，因此需要突破無人帆船的高海況適應(yīng)性技術(shù)。無人帆船借助風(fēng)帆將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)化為航行驅(qū)動(dòng)力，提高風(fēng)能利用效率可以有效提升無人帆船的航行速度，改善無人帆船的操縱性。在智能航行控制方面，根據(jù)感知到的環(huán)境信息進(jìn)行航行控制，可以提高無人帆船的作業(yè)能力和航行安全，提高作業(yè)效率。

隨著無人帆船總體技術(shù)的不斷提升，無人帆船得到了廣泛的應(yīng)用。2019 年1 月至3 月，Saildrone無人帆船被部署在墨西哥灣開展觀測，測量了氣溫、海面溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、海平面氣壓和相對濕度等參數(shù)，為冬季觀測海洋表面熱量和動(dòng)量通量提供了新的方法[38]。南大洋在調(diào)節(jié)地球的熱量和碳方面起著關(guān)鍵作用，但由于其環(huán)境惡劣，尤其是冬季海況更加惡劣，因此現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)較為匱乏。2019年8 月，Saildrone 無人帆船結(jié)束了繞南極的觀測航行，歷時(shí)196 天，總航程22 000 km，期間經(jīng)歷了15 m 高的巨浪和36 m/s 的狂風(fēng)[39]。執(zhí)行本次任務(wù)的無人帆船搭載了美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）開發(fā)的一種可以精確測量碳通量的儀器，為南大洋的碳吸收速率研究提供了重要觀測數(shù)據(jù)。2020 年7月份，在南美洲北部海岸附近熱帶大西洋上的3 艘Saildrone 無人帆船結(jié)束了歷時(shí)6 個(gè)月的觀測任務(wù)。本次任務(wù)主要是為NOAA 的大西洋風(fēng)-海洋-大氣中尺度相互作用研究提供觀測數(shù)據(jù)，以增進(jìn)對海氣相互作用的理解，更好地了解渦流和區(qū)域尺度上的海氣相互作用過程，為衛(wèi)星觀測和高分辨率耦合氣候和天氣預(yù)報(bào)模型的驗(yàn)證提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。在整個(gè)航行期間，Saildrone 無人帆船充分展示了它們的精確編隊(duì)航行能力，以及在變化無常的風(fēng)和強(qiáng)流挑戰(zhàn)條件下的位置保持能力[40]。

國外從20 世紀(jì)90 年代開始開展無人帆船的研究工作[41]，理論和實(shí)踐發(fā)展較為迅速，無人帆船已進(jìn)入業(yè)務(wù)化觀測應(yīng)用階段。國內(nèi)無人帆船尚處于起步階段，上海交通大學(xué)[42]、香港中文大學(xué)[43]、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)、大連海事大學(xué)[44]、青島大學(xué)[45]等單位開展了相關(guān)研究工作，為推動(dòng)我國無人帆船的發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所自2018 年開始開展無人帆船的理論研究與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作[46]，研制出了“海鷗”號無人帆船，并在南海開展了多次海上試驗(yàn)和科學(xué)觀測應(yīng)用（圖7）。“海鷗”號無人帆船長3.5 m，排水量200 kg，最大航速3 kn，定點(diǎn)誤差圓半徑為百米量級，與其他長續(xù)航力水面移動(dòng)平臺相比，無人帆船具有航行速度快、機(jī)動(dòng)性好等突出優(yōu)點(diǎn)，突破了水面弱驅(qū)動(dòng)平臺在強(qiáng)流區(qū)航行能力受限的問題?！昂ｚt”號無人帆船搭載了氣象站、云高儀、長短波輻射計(jì)等科學(xué)載荷，還可以搭載CTD、硝酸鹽傳感器、葉綠素傳感器等，實(shí)現(xiàn)海洋表層水體和近海大氣環(huán)境要素的協(xié)同觀測，為海氣界面的熱通量和碳通量研究提供高分辨率的長期現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。

圖7 南海海試中的“海鷗”號無人帆船及航行軌跡

2 基于海洋機(jī)器人的海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)

隨著原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展、采樣與固定裝置的小型化及海洋生地化研究對于樣本高保真率的要求，近年來基于海洋機(jī)器人的海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了長足的發(fā)展，主要包括基于海洋機(jī)器人的原位采樣與固定和基于海洋機(jī)器人的原位培養(yǎng)與分析。

2.1 基于海洋機(jī)器人的原位采樣與固定

海洋生物地球化學(xué)研究樣品，特別是生物樣品回收過程中會(huì)受到壓力、溫度及溶氧量等環(huán)境因素變化的影響而導(dǎo)致微生物活性狀態(tài)的改變，特別是核糖核酸（Ribonucleic Acid，RNA）容易降解，其半衰期一般僅有幾分鐘。水下采集到的海洋生物地球化學(xué)樣品（特別是生物樣品）在到達(dá)海面后由于壓力、溫度及溶氧量等環(huán)境因素變化會(huì)出現(xiàn)樣品特性的改變，導(dǎo)致無法反映真實(shí)的參數(shù)信息，EDGCOMB V P 等[47]比較了原位采集/保存的樣本和用尼斯金（Niskin）采水器采集的樣品，發(fā)現(xiàn)某些類群基因表達(dá)存在顯著不同，轉(zhuǎn)錄基因也受影響。

針對上述問題，YAMAHARA K M 等[48]研發(fā)出新一代環(huán)境樣品處理器（Environmental Sample Processor，ESP） 加載于AUV，并將其應(yīng)用在加利福尼亞州蒙特利灣附近，樣品容量與結(jié)果有效性都得到提高。雖然懸浮顆粒Rosette 采樣器（Suspended Particle Rosette，SUPR）系統(tǒng)無法對樣品進(jìn)行原位分析，但由于其高過濾能力，成為需要大樣本量研究的首選儀器。加載了SUPR 的REMUS 600 AUV被應(yīng)用于美國巴澤茲灣（Buzzards bay）的藤壺幼蟲研究[49]。美國伍茲霍爾海洋研究所（WoodsHoleOceanographic Institution，WHOI） 開發(fā)的水下機(jī)器人CLIO，能夠高效、精確地在海洋中垂直移動(dòng)收集海洋微生物樣品和生地化參數(shù)，同時(shí)捕捉精細(xì)的生物地球化學(xué)過程，目前最大下潛深度6 000 m，能夠完成16 個(gè)層位以上的采樣工作，并實(shí)現(xiàn)原位RNA 樣品的保存，其工作時(shí)長可達(dá)14 h[50]。將CLIO 和船測結(jié)合，已獲得馬尾藻海長1 114 km 的斷面的基因組和蛋白質(zhì)組，還有大量樣品可用于有機(jī)和無機(jī)化學(xué)分析。美國WHOI 弱光層團(tuán)隊(duì)研發(fā)了MesobotAUV，其中取樣器由32 個(gè)過濾器組成，可以從水中收集環(huán)境脫氧核糖核酸（Environmental Deoxyribo Nucleic Acid），從而了解弱光層中物種及光對其產(chǎn)生的影響[51]。上述研究成果具體如圖8所示。

圖8 國外現(xiàn)有集成原位采樣分析模塊自主觀測系統(tǒng)

國內(nèi)原位微生物取樣技術(shù)多集中在深海研究，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所研發(fā)了一套依托于著陸器的自動(dòng)化深海微生物原位富集與固定取樣器（In Situ Microbial Filtration and Fixation，ISMIFF）。該取樣器是一套可在深海及深(環(huán)境（深度大于6 000 m 的深海海域）下進(jìn)行水體微生物原位富集過濾并將其生物信息即時(shí)固定的裝置[52]。應(yīng)用ISMIFF 進(jìn)行海底采樣不僅能夠大幅增加過濾水體的體積，減少工作量，而且可以實(shí)現(xiàn)樣品原位固定，獲得關(guān)于深(的研究成果[53]。雖然ISMIFF 可固定微生物，但核酸和蛋白質(zhì)的降解仍在繼續(xù)。如果沒有高質(zhì)量的DNA 和RNA，宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究將受到阻礙。為解決該問題，WEI Z F 等[54]在ISMIFF 的基礎(chǔ)上研制了一套深海微生物原位核酸提取裝置（Multiple In Situ Nucleic Acid Collections，MISNAC），依托著陸器可進(jìn)行多個(gè)樣品的收集，并進(jìn)行RNA 提取。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與廈門大學(xué)聯(lián)合開展了水下自動(dòng)潔凈采樣系統(tǒng)（圖9）研制工作，可實(shí)現(xiàn)海洋生地化樣品的原位采集和固定。水下自動(dòng)潔凈采樣系統(tǒng)主要通過改變自身凈浮力實(shí)現(xiàn)垂直剖面運(yùn)動(dòng)及定深采樣，采樣系統(tǒng)在海面布放后開啟浮力驅(qū)動(dòng)裝置回油功能，載體凈浮力減少開始下潛；當(dāng)下潛至最大作業(yè)深度500 m后，開啟浮力驅(qū)動(dòng)裝置分級泵油功能，凈浮力增大開始上??；當(dāng)上浮至目標(biāo)水層后，開啟浮力驅(qū)動(dòng)裝置定深功能，并開啟原位過濾及保存裝置進(jìn)行樣品收集與固定。在完成9 個(gè)層位采樣任務(wù)后，采樣系統(tǒng)上浮至水面，通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)與母船通信。

圖9 水下自動(dòng)潔凈采樣系統(tǒng)及其工作過程示意圖

2.2 基于海洋機(jī)器人的原位培養(yǎng)與分析

原位培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)是海洋生物地球化學(xué)速率參數(shù)測量的必要手段，目前主要是對深海熱液或冷泉等特殊地點(diǎn)開展。通過深潛器等下放采樣培養(yǎng)設(shè)備，建立原位觀測平臺進(jìn)行采樣和原位培養(yǎng)。比如EDGCOMB V P 等[55]研制的深海實(shí)驗(yàn)裝置（Latest Attempt at Remote Experimentation in the Deep Ocean，LAREDO），針對深海微生物食物網(wǎng)原位實(shí)驗(yàn)的微生物采樣及培養(yǎng)器（Microbial Sampler-Submersible Incubation Device，MS-SID），利用采集和培養(yǎng)的水樣進(jìn)行水下原位研究原生生物對微生物攝食壓力，設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)采集和培養(yǎng)功能，但不具備對培養(yǎng)過程的測量和記錄功能。深海原位培養(yǎng)系統(tǒng)多需要水下遙控機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）或著陸器依托，不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)化測量，以單次培養(yǎng)與樣品回收測量為主。水體中自動(dòng)化原位速率參數(shù)培養(yǎng)裝置的研究相對缺乏，目前主要是針對生物生產(chǎn)速率參數(shù)（初級生產(chǎn)力、凈生產(chǎn)力），如水下培養(yǎng)器（Submersible Incubation Device，SID） 可以原位進(jìn)行自動(dòng)化14C-碳酸氫鹽添加與培養(yǎng)[56]，實(shí)現(xiàn)初級生產(chǎn)力多次測量，但受限于放射性標(biāo)記物，對單個(gè)培養(yǎng)室僅能培養(yǎng)單個(gè)水樣。SID 已經(jīng)應(yīng)用于多項(xiàng)研究中，如熱液口微型生物過濾采樣、集成于漂浮浮標(biāo)上進(jìn)行拉格朗日式漂浮移動(dòng)進(jìn)行初級生產(chǎn)力和固氮速率的原位培養(yǎng)。為了研究海洋微表層氧氣循環(huán)速率與浮游植物的關(guān)系，RAHLFF J 等[57]設(shè)計(jì)了一套適用于表層海水的原位培養(yǎng)裝置，通過無人船拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)自由漂移，但需要手動(dòng)加水樣，且無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)培養(yǎng)測量。BARR N G 等[58]設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于冰下藻初級生產(chǎn)測量的培養(yǎng)裝置，由潛水員下潛布放，能夠遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測培養(yǎng)室的pH 值和溫度，利用溶解氧濃度變化為碳代謝的指示物，但無法進(jìn)行連續(xù)測量。COLLINS R J 等[59]設(shè)計(jì)了一種使用光學(xué)溶解氧傳感器可多次培養(yǎng)的裝置來實(shí)現(xiàn)群落呼吸速率與凈生產(chǎn)力的原位連續(xù)測量。采用熒光控制的光電元件分別安裝于明暗室，利用活塞控制開關(guān)，使得該裝置能夠進(jìn)行多次獨(dú)立的呼吸速率估算。簡化了對復(fù)雜機(jī)械自動(dòng)化結(jié)構(gòu)的依賴，有效提高了可靠性，同時(shí)也減小了設(shè)備體積，適用于棧橋、浮標(biāo)等固定平臺。

自然資源部第二海洋研究所研發(fā)了一種海底水體溶解氧消耗過程原位培養(yǎng)裝置。該裝置集成了包括電子控制模塊、電機(jī)、培養(yǎng)容器與海水測量傳感器（包括溫度、鹽度、溶解氧和濁度）等在內(nèi)的電控處理模塊和機(jī)械結(jié)構(gòu)框架于一體，具備對海底水體的溶解氧耗氧過程進(jìn)行現(xiàn)場培養(yǎng)和觀測的功能。自然資源部第三海洋研究所研制的深海生物長期原位觀測裝置可進(jìn)行一年的長期生態(tài)觀測與微生物原位培養(yǎng)[60]。浙江大學(xué)也研制了一種可搭載或獨(dú)立工作的深海實(shí)驗(yàn)生態(tài)裝置，在深海原位環(huán)境可進(jìn)行人工誘導(dǎo)培養(yǎng)[61]。中國科學(xué)院海洋研究所在深海海底搭建了由原位環(huán)境傳感器、生物培養(yǎng)裝置和原位固定裝置組成的水下實(shí)驗(yàn)平臺，科學(xué)家得以在深海開展水下原位實(shí)驗(yàn)，為揭示深海生物極端環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制提供了可靠依據(jù)。

中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與廈門大學(xué)聯(lián)合開展了移動(dòng)式生物生產(chǎn)速率連續(xù)測量系統(tǒng)研制工作，將生物生產(chǎn)速率測量技術(shù)與水下滑翔機(jī)平臺技術(shù)有機(jī)融合，可自動(dòng)獲取連續(xù)的海洋群落呼吸、初級生產(chǎn)、細(xì)菌生產(chǎn)等生物地球化學(xué)速率參數(shù)數(shù)據(jù)，移動(dòng)式生物生產(chǎn)速率連續(xù)測量系統(tǒng)三維模型如圖10所示，具有兩種工作模式（圖11）。

圖10 移動(dòng)式生物生產(chǎn)速率連續(xù)測量系統(tǒng)總體布置結(jié)構(gòu)圖

圖11 移動(dòng)式生物生產(chǎn)速率連續(xù)測量系統(tǒng)工作模式示意圖

（1）定深培養(yǎng)模式（白色箭頭），每個(gè)測量周期水下滑翔機(jī)滑翔至DCM 深度層后懸停，開啟海水泵置換培養(yǎng)艙中海水，在430 s 后關(guān)閉海水泵開始培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)水下滑翔機(jī)在DCM 深度層停留至預(yù)定時(shí)間后結(jié)束培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，上浮至水面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。

（2）滑翔培養(yǎng)模式（黃色箭頭），用于測量光合作用-光強(qiáng)響應(yīng)曲線（photosynthesis-irradiance curve，PE-curve）光合作用曲線，即生產(chǎn)-光強(qiáng)（深度）關(guān)系。每個(gè)周期水下滑翔機(jī)滑翔至DCM 深度層后，開啟海水泵置換培養(yǎng)艙中海水，在430 s 后關(guān)閉海水泵開始培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)水下滑翔機(jī)繼續(xù)下潛至真光層以下（如1 000 m）后，緩慢上浮至水面結(jié)束培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)并傳輸數(shù)據(jù)。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢

海洋機(jī)器人在海洋科學(xué)觀測和海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著海洋機(jī)器人載荷搭載能力的提升和計(jì)算能力的提升，海洋機(jī)器人本體對外部環(huán)境信息的感知能力和自主決策能力也得到了極大的提升，進(jìn)一步提升了海洋機(jī)器人的觀測作業(yè)能力，然而，海洋中許多過程與響應(yīng)是瞬時(shí)的、局部的，洋流的移動(dòng)對海洋機(jī)器人的作業(yè)能力又提出了新的要求。為有效地研究上述復(fù)雜且不斷演變的現(xiàn)象，需要海洋機(jī)器人具備檢測并響應(yīng)目標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行針對性觀測與實(shí)驗(yàn)的能力、持續(xù)性作業(yè)能力，以滿足對海洋中小尺度過程的連續(xù)、多學(xué)科采樣和觀測需求。

3.1 海洋觀測發(fā)展趨勢

（1）提升海洋機(jī)器人智能化程度，實(shí)現(xiàn)作業(yè)決策智能化。以往的預(yù)編程海洋機(jī)器人僅可以按照預(yù)先設(shè)定的觀測路徑或者觀測深度開展作業(yè)，這種預(yù)編程的作業(yè)模式一方面無法滿足動(dòng)態(tài)海洋現(xiàn)象的觀測需求，另一方面也降低了作業(yè)效率，使得觀測對象在連續(xù)性和完整性上存在較大不足。隨著海洋機(jī)器人智能化程度的不斷提升，移動(dòng)觀測平臺基于環(huán)境數(shù)據(jù)信息可在線自主決策作業(yè)計(jì)劃或者樣本采集參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對觀測對象的高空間分辨率和時(shí)間連續(xù)性觀測采樣，另外開發(fā)自適應(yīng)采樣與算法以優(yōu)化不同物理背景場和不同階段下觀測和采樣策略是海洋移動(dòng)觀測集成應(yīng)用的重要方向。

（2）提高海洋機(jī)器人續(xù)航力水平，實(shí)現(xiàn)作業(yè)時(shí)空連續(xù)化。觀測中典型的海洋中小尺度過程存在復(fù)雜三維空間-時(shí)間疊加的變異性，研究表明中尺度渦在空間上并非是一個(gè)均一的系統(tǒng)，而是存在亞中尺度的變異，渦旋中心區(qū)與邊緣區(qū)之間存在顯著的動(dòng)力學(xué)和生物地球化學(xué)特性差異。從生物地球化學(xué)角度，海洋中小尺度過程也存在生命周期上的差異，如渦旋、藻華（赤潮）、羽流、上升流等生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)顯著的海洋過程存在顯著的生命周期差異。開展海洋過程的全生命周期觀測是未來海洋科學(xué)研究對觀測技術(shù)手段的重要要求。在時(shí)間尺度上，需要具備跨季度的連續(xù)觀測，在空間尺度上，要完成數(shù)百公里甚至數(shù)千公里的觀測。因此需要海洋科學(xué)觀測平臺具備長期航行工作能力，以保證觀測或?qū)嶒?yàn)的連續(xù)性、完整性。

3.2 海洋實(shí)驗(yàn)發(fā)展趨勢

（1）加強(qiáng)海洋機(jī)器人原位采樣能力，實(shí)現(xiàn)作業(yè)采樣原位化。環(huán)境背景信息對于以海洋生物地球化學(xué)觀測為代表的觀測應(yīng)用具有重要作用。脫離環(huán)境信息的觀測極易導(dǎo)致被測對象的理化參數(shù)或生物特性發(fā)生改變，無法真實(shí)客觀地反映真實(shí)信息。例如原位培養(yǎng)初級生產(chǎn)力與甲板培養(yǎng)初級生產(chǎn)力測量差異可以達(dá)到50%以上，與原位培養(yǎng)相比，甲板培養(yǎng)測量的固氮速率普遍存在高估，平均差異接近100%，在底棲藻類初級生產(chǎn)與呼吸速率測量中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。解決這一問題的方法之一就是使用原位培養(yǎng)技術(shù)，減少培養(yǎng)環(huán)境變化的影響，并通過連續(xù)測量增加原位培養(yǎng)速率參數(shù)的獲取。因此需要提高海洋機(jī)器人原位作業(yè)能力，尤其是原位采樣能力，保證被測對象和現(xiàn)場環(huán)境信息的耦合，使觀測數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映自然環(huán)境下的變化。

（2）提高觀測載荷功能集成水平，實(shí)現(xiàn)觀測多維立體化。隨著海洋科學(xué)研究不斷走向縱深，對觀測數(shù)據(jù)的時(shí)空耦合關(guān)系也提出了更高的要求，過去單一的、割裂的觀測數(shù)據(jù)難以完整地刻畫海洋過程的演變機(jī)制。如在海洋地化生研究過程中，海洋浮游植物初級生產(chǎn)、常量和微量營養(yǎng)鹽的限制作用、浮游植物群落組成、有機(jī)碳輸出與再礦化通量及對碳循環(huán)與氮、硅循環(huán)之間的耦合與分異的碳循環(huán)研究存在時(shí)空尺度割裂、學(xué)科交叉不夠等問題，這給如何全面準(zhǔn)確定量化食物網(wǎng)的物質(zhì)能量流動(dòng)（固碳儲(chǔ)碳效率與調(diào)控因子）提出挑戰(zhàn)，因此需要海洋機(jī)器人可以搭載更多的傳感器或采樣器，以實(shí)現(xiàn)對某一要素及其關(guān)聯(lián)要素的綜合觀測，從多維角度更加真實(shí)立體地反映實(shí)際情況。

（3）構(gòu)建海洋機(jī)器人作業(yè)新模式，推動(dòng)觀測實(shí)驗(yàn)一體化。海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)離不開觀測數(shù)據(jù)的支撐、海洋觀測數(shù)據(jù)的變化也蘊(yùn)含著生物地球化學(xué)過程變化的影響。目前海洋浮游生物活動(dòng)及與化學(xué)元素的相互作用研究是海洋前沿科學(xué)研究熱點(diǎn)之一，其研究需要同時(shí)開展海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)和海洋科學(xué)觀測，以深刻了解關(guān)鍵生物和生物地球化學(xué)過程的復(fù)雜相互作用和調(diào)控機(jī)制。然而目前海洋機(jī)器人在功能上多側(cè)重于海洋科學(xué)觀測或海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)，尚未實(shí)現(xiàn)兩者之間深度有機(jī)融合。因此，需要開展海洋機(jī)器人觀測與實(shí)驗(yàn)一體化研究工作。

4 結(jié) 論

目前以水下滑翔機(jī)、AUV 和無人帆船為代表的海洋機(jī)器人平臺技術(shù)在續(xù)航力、智能化程度、載荷搭載能力等方面已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，并且在海洋科學(xué)觀測中得到了較為廣泛的應(yīng)用，為物理海洋和海洋化學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但是海洋機(jī)器人在海洋實(shí)驗(yàn)方面的應(yīng)用相對較少。本文系統(tǒng)梳理了水下滑翔機(jī)、AUV 和無人帆船在海洋觀測與實(shí)驗(yàn)中的典型應(yīng)用，針對未來海洋科學(xué)研究需求，仍需要在現(xiàn)有平臺技術(shù)的基礎(chǔ)上開展應(yīng)用技術(shù)研究，在作業(yè)決策智能化、作業(yè)采樣原位化、功能模塊集成化、觀測實(shí)驗(yàn)一體化、作業(yè)時(shí)空連續(xù)化等方面進(jìn)行進(jìn)一步研究，以提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高觀測作業(yè)效率、提升作業(yè)能力，為我國海洋科學(xué)的研究與創(chuàng)新提供先進(jìn)平臺和應(yīng)用方法的支撐。