李 碩 吳園濤 李 琛 趙宏宇 李一平

1 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110016

2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

3 中國科學(xué)院 重大科技任務(wù)局 北京 100864

黨的十八大報告明確提出，提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國。黨的十九大報告要求加快建設(shè)海洋強(qiáng)國。探索和認(rèn)識海洋需要包括水下機(jī)器人在內(nèi)的多種海洋技術(shù)裝備，“十二五”“十三五”期間，國家重點(diǎn)部署了 4 500 m 級和 11 000 m 級深海技術(shù)裝備的研制；“十四五”規(guī)劃進(jìn)一步提出，要在深海、極地等前沿領(lǐng)域?qū)嵤┮慌哂星罢靶?、?zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目。深海探測、海洋資源開發(fā)利用等已成為新興戰(zhàn)略性領(lǐng)域[1]，關(guān)注深海、聚焦深海資源的開發(fā)已上升為國家戰(zhàn)略。

近年來，水下機(jī)器人（UUV）在海洋科學(xué)研究、海洋工程及戰(zhàn)略高技術(shù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通常，水下機(jī)器人可分為自主水下機(jī)器人（AUV）和有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）。AUV自帶能源自主航行，可執(zhí)行大范圍探測任務(wù)，但作業(yè)時間、數(shù)據(jù)實(shí)時性、作業(yè)能力有限。ROV 依靠臍帶電纜提供動力，水下作業(yè)時間長、數(shù)據(jù)實(shí)時，作業(yè)能力較強(qiáng)，但作業(yè)范圍有限；近年來發(fā)展的混合式水下機(jī)器人—自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）結(jié)合了 AUV 和 ROV 的優(yōu)點(diǎn)，自帶能源，通過光纖微纜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，既可實(shí)現(xiàn)較大范圍探測，又可實(shí)現(xiàn)水下定點(diǎn)精細(xì)觀測及輕作業(yè)。ARV 是信息型 AUV 向作業(yè)型 AUV 發(fā)展過程中的出現(xiàn)新型水下機(jī)器人[2]。此外，水下滑翔機(jī)（glider）作為一種新技術(shù)平臺[3]，適用于長時間、大范圍海洋環(huán)境觀測，近年來逐漸成熟。

水下機(jī)器人能夠在極端海洋環(huán)境下工作，到達(dá)人類難以到達(dá)的海區(qū)，在探索人類未知世界發(fā)揮越來越重要的作用。通過自主航行控制、導(dǎo)航定位通信、能源動力推進(jìn)、目標(biāo)探測識別、機(jī)械手作業(yè)等高新技術(shù)的不斷突破，水下機(jī)器人將有效推動在海洋環(huán)境觀測、深海資源探測和開發(fā)、深淵和極地的科學(xué)考察等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 國外水下機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

國外水下機(jī)器人研究已有近 70 年的歷史。以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家，先后研發(fā)了 ROV、AUV、ARV，以及水下滑翔機(jī)等多種不同類型的水下機(jī)器人，成功用于深海資源調(diào)查、海洋科學(xué)考察、水下搜索救撈等領(lǐng)域。

目前全球有上百家 ROV 制造商，正在使用的 ROV 數(shù)以千計(jì)，而且還在繼續(xù)增長。其中美國、加拿大、英國、法國和日本等發(fā)達(dá)國家在 ROV 領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，占據(jù)了絕大部分的商用市場份額。美、日、俄、法等國家已經(jīng)擁有了從水面支持母船到潛深 3 000—11 000 m 的系列深海裝備，通過裝備之間的相互支持、聯(lián)合作業(yè)和安全救助等，能夠順利完成水下調(diào)查、搜索、采樣、維修、施工和救撈等任務(wù)[4]。

自 20 世紀(jì) 50 年代美國華盛頓大學(xué)研制出世界上首臺 AUV 以來，其發(fā)展已經(jīng)歷了 60 余年。20 世紀(jì) 90 年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和電子技術(shù)的日益成熟，AUV 進(jìn)入快速發(fā)展階段，一批有影響的 AUV 相繼研制成功并成功應(yīng)用，包括美國的ABE、英國的 Autosub、加拿大的 Theseus。進(jìn)入 21 世紀(jì)，AUV 技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，產(chǎn)品化的 AUV 不斷涌現(xiàn)，如美國 Hydroid 公司的 Bluefin 系列、挪威 Kongsberg 公司的 REMUS 系列和HUGIN 系列、美國 Teledyne 公司的 Gavia 系列，標(biāo)志著 AUV 進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段[2]。

美國、日本等海洋強(qiáng)國先后研成功研制于不同工作目標(biāo)的 ARV，其研究成果得到國際廣泛認(rèn)可。最具代表性的是美國伍茲霍爾海洋研究所研制的 HROV Nereus（“海神”號），具有 AUV、ROV 兩種作業(yè)模式，但需要在機(jī)器人下水前現(xiàn)場進(jìn)行作業(yè)工作的換裝[5]。自 2011 年起，在“海神”號基礎(chǔ)上，針對極地海冰調(diào)查，伍茲霍爾海洋研究所開始研制新的混合型水下機(jī)器人 Nereid UI，其最大工作水深 2 000 m，攜帶 20 km 的光纖微纜，并搭載多種生物、化學(xué)傳感器，可進(jìn)行大范圍的冰下觀測和取樣等作業(yè)。

國外水下滑翔機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用主要集中于美國、法國、英國和澳大利亞等國。20 世紀(jì) 90 年代，美國相繼開發(fā)成功 Slocum、Seaglider 和 Spray 3 種水下滑翔機(jī)，并持續(xù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用。此外，歐洲和澳大利亞從 21 世紀(jì)開始專注于水下滑翔機(jī)的應(yīng)用和協(xié)作技術(shù)的研究，并組建了各自的水下滑翔機(jī)觀測網(wǎng)絡(luò)[6]。

總結(jié)國外水下機(jī)器人目前發(fā)展的現(xiàn)狀，ROV 已產(chǎn)業(yè)化并被廣泛使用，其發(fā)展更強(qiáng)調(diào)作業(yè)能力，以及提高其作業(yè)的自主性；由于水下能源、通信和導(dǎo)航技術(shù)的約束，AUV 依然是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)并且正在經(jīng)歷產(chǎn)品化的過程，系列化的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)；ARV 技術(shù)在極地和深淵科考中的應(yīng)用，有效拓展了 AUV 的應(yīng)用領(lǐng)域；水下滑翔機(jī)作為低成本大范圍海洋觀測設(shè)備，通過獲取海量數(shù)據(jù)，改變了人類對海洋的認(rèn)識。水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，離不開需求牽引的廣泛應(yīng)用，正是不斷地應(yīng)用，推動了水下機(jī)器人的技術(shù)進(jìn)步。本文重點(diǎn)介紹我國水下機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀。

2 我國水下機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

我國的水下機(jī)器人研究工作始于 20 世紀(jì) 70 年代末期。40 多年來，我國水下機(jī)器人技術(shù)得到了快速發(fā)展。進(jìn)入 21 世紀(jì)，在科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會（以下簡稱“中國大洋協(xié)會”）等部門和組織的支持下，以“潛龍/探索”系列自主水下機(jī)器人、“海星/海龍/海馬”遙控水下機(jī)器人、“海斗”系列自主遙控水下機(jī)器人、“海翼/海燕”系列水下滑翔機(jī)等為代表的深海技術(shù)裝備成功研制與應(yīng)用，帶動了深海技術(shù)的進(jìn)展，極大地提高了我國深?？茖W(xué)研究與深海資源勘探水平。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所（以下簡稱“沈陽自動化研究所”）是我國最早開展水下機(jī)器人研究的單位，其研制的海洋技術(shù)裝備在一定程度上反映了中國水下機(jī)器人的研究進(jìn)展。下面，以沈陽自動化研究所為例，介紹我國水下機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀。

2.1 積極推動我國水下機(jī)器人在深海領(lǐng)域的持續(xù)應(yīng)用

2.1.1 初步構(gòu)建我國深海資源自主勘查的技術(shù)裝備體系

深海蘊(yùn)藏著地球上遠(yuǎn)未認(rèn)知和開發(fā)的寶藏，是人類社會謀求未來生存與發(fā)展的重要戰(zhàn)略新疆域。隨著人類社會的高速發(fā)展，對各種資源的需求不斷攀升，陸地資源面臨日益緊張的局面，開發(fā)和利用深海礦產(chǎn)資源是人類可持續(xù)發(fā)展的重要保障。深海礦產(chǎn)資源被認(rèn)為是 21 世紀(jì)最重要的陸地礦產(chǎn)接替資源，作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為各國的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。自 2001 年起，我國已經(jīng)獲得了包括多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼等 3 種資源類型在內(nèi)的 5 個大洋海底勘探合同區(qū)，成為資源種類最全、勘探合同區(qū)最多的國家之一，有效地拓展了國家戰(zhàn)略資源的新來源。這些礦區(qū)的前期開發(fā)申請及勘探合同簽訂后，都需要高精度、高效的探測裝備[7]。

“十三五”期間，為滿足現(xiàn)有國際海底礦區(qū)勘查和新礦區(qū)圈定的迫切需要，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國大洋協(xié)會、國際海域資源調(diào)查與開發(fā)等項(xiàng)目的支持下，沈陽自動化研究所聯(lián)合國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)，攻克復(fù)雜海底環(huán)境下的高精度導(dǎo)航、自主避障和穩(wěn)定航行控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了具有微地形地貌測量、海底照相、水體異常探測、磁力探測等功能的深海資源自主勘查系統(tǒng)——“潛龍”系列深海 AUV（圖 1）。結(jié)合探測任務(wù)及海底環(huán)境，“潛龍一號”和“潛龍四號”設(shè)計(jì)為圓柱回轉(zhuǎn)體，適用于海底相對平坦礦區(qū)；“潛龍二號”和“潛龍三號”設(shè)計(jì)為立扁魚型非回轉(zhuǎn)體，適用于復(fù)雜海底地形礦區(qū)?！皾擙垺毕盗猩詈?AUV 用于多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、天然氣水合物等多種深海資源的精細(xì)勘查，填補(bǔ)了我國深海資源自主勘查的空白。“潛龍”系列深海 AUV 先后參加了 10 余次大洋科考航次，在太平洋、大西洋、印度洋等海域開展航次應(yīng)用，累計(jì)下潛近百次，完成聲學(xué)探測測線超過 5 000 km，聲學(xué)探測面積近 2 000 km2。根據(jù)“潛龍”系列深海 AUV 獲取的海底多元數(shù)據(jù)，科學(xué)家對深海礦產(chǎn)資源的分布和成礦機(jī)理有了重要發(fā)現(xiàn)，為礦區(qū)區(qū)域放棄和后續(xù)資源開發(fā)提供了精準(zhǔn)數(shù)據(jù)和模型。

圖1 “潛龍”系列自主水下機(jī)器人Figure 1 “Qianlong” series autonomous underwater vehicles

2.1.2 初步構(gòu)建我國海洋科學(xué)研究的自主觀測與作業(yè)技術(shù)體系

海洋科學(xué)是海洋技術(shù)發(fā)展的源泉，海洋技術(shù)是海洋科學(xué)創(chuàng)新的動力。歷史上，海洋學(xué)的創(chuàng)新都源自海洋調(diào)查觀測的結(jié)果，海洋科學(xué)的創(chuàng)新研究與海洋觀測和探測技術(shù)密不可分。在國家“863”計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，沈陽自動化研究所成功研制出“探索”系列自主水下機(jī)器人、“海星 6000”遙控水下機(jī)器人、“海翼”系列水下滑翔機(jī)等裝備并取得重大突破，初步構(gòu)建了面向海洋科學(xué)研究的自主觀測與作業(yè)技術(shù)體系，成功在西太平洋、印度洋、南海、東海、黃海等海域開展應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多水下機(jī)器人集群組網(wǎng)探測，開啟了我國海洋科考新模式。

面向海洋科學(xué)研究需求，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，沈陽自動化研究所研制的“探索 100”是一套集聲學(xué)探測和光學(xué)觀測的 50 kg 級模塊化便攜式 AUV，實(shí)現(xiàn)了小批量制造，在突破無人潛水器協(xié)同控制組網(wǎng)觀測等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于聲通信的多 AUV 組網(wǎng)觀測應(yīng)用。2019—2020 年，由多臺“探索 100”（圖 2）組成的水下機(jī)器人組網(wǎng)觀測系統(tǒng)開展了多項(xiàng)海洋特征觀測海上試驗(yàn)及示范應(yīng)用。利用多臺 AUV 對大亞灣冷水團(tuán)入侵和岬角渦旋現(xiàn)象進(jìn)行觀測，首次獲得了大亞灣海域高分辨率的冷水團(tuán)入侵和岬角渦旋精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，為研究上升流冷水對大亞灣底層生態(tài)系統(tǒng)的影響提供依據(jù)。在重點(diǎn)海區(qū)利用多 AUV 開展了協(xié)同熱點(diǎn)區(qū)域搜索、編隊(duì)和溫躍層協(xié)同觀測試驗(yàn)，以及海洋環(huán)境場自適應(yīng)觀測應(yīng)用示范，按實(shí)時規(guī)劃的航跡，對環(huán)境場變化最快的海域進(jìn)行觀測，有效修正了該海域海洋系統(tǒng)模式，提高了海洋環(huán)境場預(yù)測精度。

圖2 “探索100”自主水下機(jī)器人Figure 2 “Tansuo 100” autonomous underwater vehicles

“探索 4500”是一套集成微地形地貌測量、海底照相、熱液異常探測等傳感器的 4 500 m 級 AUV，可在深海熱液活動區(qū)和冷泉區(qū)開展精細(xì)聲學(xué)探測、近底光學(xué)觀測。自 2017 年起，“探索 4500”多次參加海上應(yīng)用，包括冷泉區(qū)近底自主高精度探測，與“海馬”號 ROV 在南海北部陸坡海域開展聯(lián)合調(diào)查等任務(wù)?！疤剿?4500”在水體觀測和光學(xué)調(diào)查任務(wù)中，獲得大量水體觀測數(shù)據(jù)和高清海底照片，拍攝到具有“冷泉”特征的海底生物（圖 3），為發(fā)現(xiàn)新的海底大型活動性“冷泉”，查明其分布范圍、生物群落及流體活動等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖3 “探索4500”拍攝的冷泉區(qū)海底貽貝照片F(xiàn)igure 3 Photos of sea mussels in cold spring area taken by “Tansuo 4500”

“海星 6000”是我國首臺自主研發(fā)面向科考應(yīng)用的 6 000 m 級 ROV 裝備，最大作業(yè)功率 50 HP①1 HP約為745.7 W，最大工作深度 6 000 m，采用全電動推進(jìn)，搭載有七功能機(jī)械手、回轉(zhuǎn)生物吸取樣器、宏生物采集箱、沉積物取樣器、采水瓶等深?？瓶脊ぞ撸邆涓×φ{(diào)節(jié)和水下廣播級高清視頻拍攝，可進(jìn)行近海底采樣作業(yè)。在 2018 年科考航次中，“海星 6000”（圖 4）連續(xù)工作數(shù)小時，完成了 6 000 m 近海底航行觀察、生物調(diào)查、海底表層沉積聚成物獲取、泥樣和水樣采集、模擬黑匣子搜索打撈、標(biāo)識物放置等，最大工作深度 6 001 m，創(chuàng)造我國 ROV 最大潛深的紀(jì)錄。

圖4 “海星6000”遙控水下機(jī)器人Figure 4 “Haixing 6000” remotely operated vehicle

水下滑翔機(jī)是一種依靠浮力調(diào)整洋流驅(qū)動的新型水下機(jī)器人，無螺旋槳推進(jìn)器，具有長續(xù)航力優(yōu)勢。2009 年，“海翼 1000”在國內(nèi)率先突破海上航行距離 1 000 km 的基礎(chǔ)上，2021 年，“海翼 1000”滑翔機(jī)海上航行距離已經(jīng)超過 5 000 km，最長持續(xù)工作 302 天，觀測剖面數(shù)超過 1 500 條，再次創(chuàng)造我國水下機(jī)器人續(xù)航力新紀(jì)錄。

在單體性能提升的基礎(chǔ)上，“海翼”水下滑翔機(jī)連續(xù)開展海洋科考航次集群應(yīng)用。2017 年 7 月，首次開展多水下滑翔機(jī)協(xié)同觀測任務(wù)，創(chuàng)造了當(dāng)時我國海上連續(xù)工作時間最長、航行距離最遠(yuǎn)、觀測剖面數(shù)最多的紀(jì)錄，為開展深海海洋環(huán)境精細(xì)探測提供了系統(tǒng)解決方案。2019 年，11 臺“海翼”水下滑翔機(jī)完成西北太平洋中尺度渦旋（冷渦）綜合觀測。2020 年，12 臺“海翼”水下滑翔機(jī)（圖 5）完成印度洋聯(lián)合海洋與環(huán)境研究計(jì)劃（JAMES 研究計(jì)劃）冬季調(diào)查任務(wù)。2021 年，8 臺“海翼”水下滑翔機(jī)作為重要調(diào)查裝備參加了由中國科學(xué)院海洋研究所組織的國家自然科學(xué)基金共享航次計(jì)劃西太平洋科學(xué)考察實(shí)驗(yàn)研究任務(wù)，成功完成西太平洋集群觀測應(yīng)用?！昂Ｒ怼彼禄铏C(jī)的規(guī)模化應(yīng)用，標(biāo)志著我國水下滑翔機(jī)達(dá)到實(shí)用化應(yīng)用水平。

圖5 “海翼”水下滑翔機(jī)參加印度洋航次任務(wù)Figure 5 “Haiyi” Glider participated in the Indian ocean voyage

2.2 全面引領(lǐng)我國水下機(jī)器人在深淵領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

近年來，深淵科學(xué)正成為國際地球科學(xué)尤其是海洋科學(xué)的最新前沿領(lǐng)域。隨著深淵探測技術(shù)瓶頸被逐步突破，深淵科學(xué)研究成為我國占領(lǐng)國際海洋科學(xué)研究制高點(diǎn)的重要機(jī)會，對我國海洋科學(xué)事業(yè)的發(fā)展乃至國家整體科學(xué)創(chuàng)新實(shí)力的提高均發(fā)揮了重要的推動作用。

在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持下，沈陽自動化研究所自主研制的全海深無人潛水器關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證平臺——“海斗”號（圖 6），是我國首臺下潛深度超過萬米的水下機(jī)器人，搭載有溫鹽深儀和高清水下攝像機(jī)等傳感器和設(shè)備，最大工作水深 11 000 m，可通過微細(xì)光纜進(jìn)行通信和視頻傳輸。2016—2018 年，“海斗”號連續(xù) 3 年參加我國馬里亞納海溝深淵科考航次。“海斗”號總計(jì)下潛 40 次，其中 11 次到達(dá)萬米以下深度，最大下潛深度 10 905 m，創(chuàng)造我國水下機(jī)器人最大下潛及作業(yè)深度記錄，獲得我國首批全海深溫鹽深數(shù)據(jù)資料，實(shí)現(xiàn)我國首次全海深高清視頻直播。

圖6 “海斗”號自主遙控水下機(jī)器人Figure 6 “Haidou” autonomous & remotely operated vehicle

2020 年 5 月，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持下，沈陽自動化研究所牽頭研制的“海斗一號”自主遙控水下機(jī)器人（圖 7）在馬里亞納海溝成功完成首次萬米海試與試驗(yàn)性應(yīng)用，最大下潛深度 10 907 m，為我國開展深淵科考獲取了首批重要數(shù)據(jù)和樣品，填補(bǔ)了我國萬米級作業(yè)型無人潛水器的空白。

圖7 “海斗一號”自主遙控水下機(jī)器人Figure 7 “Haidou 1” autonomous & remotely operated vehicle

2021 年 10 月，“海斗一號”再次開展馬里亞納海溝萬米科考應(yīng)用，總計(jì)完成 8 次萬米深潛與作業(yè)，最大深度 10 908 m，海底累計(jì)工作超 30 h、航程超 30 km、探測覆蓋面積超 15 km2，海底有效高清視頻時長超 15 h，獲取了 8 個點(diǎn)位或區(qū)域的典型萬米深淵水文、生物、地質(zhì)等數(shù)據(jù)或樣品。在國際上首次實(shí)現(xiàn)了對“挑戰(zhàn)者深淵”西部凹陷區(qū)的大范圍全覆蓋聲學(xué)巡航探測?！昂６芬惶枴钡某晒?yīng)用，表明了我國全海深無人潛水器正式跨入萬米科考應(yīng)用的新階段，填補(bǔ)了當(dāng)前國際上全海深無人潛水器萬米科考應(yīng)用的空白。

2.3 持續(xù)探索我國水下機(jī)器人在極地的科考應(yīng)用

南、北極對全球系統(tǒng)影響非常關(guān)鍵，其變化將直接影響到全球的氣候和海洋環(huán)境的變化。我國堅(jiān)持南、北極科學(xué)考察是實(shí)現(xiàn)我國海洋防災(zāi)減災(zāi)、揭示全球氣候變化、動態(tài)海洋過程形成和演變機(jī)理的重要活動。水下機(jī)器人作為一種先進(jìn)的運(yùn)動平臺，搭載有關(guān)的觀測設(shè)備，可為極地海洋環(huán)境研究提供一種大范圍、連續(xù)的觀測手段，推動南、北極科學(xué)研究的不斷發(fā)展[8]。沈陽自動化研究所從 2003 年參加我國第二次北極科學(xué)考察以來，一直致力于推動水下機(jī)器人在極地科考中的探索應(yīng)用，相繼突破極地密集海冰覆蓋安全回收、高緯度冰下導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，研制和優(yōu)化改造了一系列高技術(shù)水下機(jī)器人科考裝備，實(shí)現(xiàn)了從冰底精細(xì)觀測、海洋環(huán)境大范圍觀測到近海底高精度探測的技術(shù)跨越。

2.3.1 實(shí)現(xiàn)海冰底局部觀測到海底大范圍探測的技術(shù)跨越

在國家“863”計(jì)劃支持下，沈陽自動化研究所先后研制了兩型北極自主/遙控水下機(jī)器人（圖 8），搭載海冰測厚聲吶、光通量探測儀、視頻觀測等設(shè)備，分別于 2008 年、2010 年和 2014 年參加了我國北極科學(xué)考察，獲取了北極海冰底部物理特征和海洋環(huán)境等重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了海冰厚度的區(qū)域高精度測量。

圖8 兩型北極自主/遙控水下機(jī)器人Figure 8 Two types of Arctic autonomous & remotely operated vehicle

2021 年，在中國第 12 次北極科考中，升級改造后的“探索 4500”在北緯 85° 海域成功完成下潛探測（圖 9），這是我國首次使用自主水下機(jī)器人完成北極高緯度海冰區(qū)近海底科考任務(wù)?！疤剿?4500”在 4 000 m 海底連續(xù)工作，成功獲取了近底高分辨多波束、水文及磁力數(shù)據(jù)。其連續(xù)成功下潛為我國不斷深化對北極洋中脊多圈層物質(zhì)能量交換及地質(zhì)過程的探索和認(rèn)知提供了重要數(shù)據(jù)資料。

圖9 “探索4500”在“雪龍2”號極地科學(xué)考察船上布放入水Figure 9 “Tansuo 4500” launched from “Xue Long 2” ship

2.3.2 實(shí)現(xiàn)我國水下機(jī)器人南極科考中首次示范應(yīng)用

面向南大洋海洋環(huán)境調(diào)查任務(wù)，沈陽自動化研究所對“探索 1000”AUV 進(jìn)行了適應(yīng)性改造，搭載溫鹽深、溶解氧、濁度計(jì)、葉綠素等傳感器，以提高南極浮冰覆蓋的海洋環(huán)境適應(yīng)性，于 2019 年和 2020 年先后兩次參加中國南極科考，為考察隊(duì)執(zhí)行羅斯海多環(huán)境要素綜合調(diào)查提供了重要技術(shù)支撐。

在第 35 次南極科考中，“探索 1000”以南極極區(qū)海洋觀測應(yīng)用為目的，獲得南極南緯 75° 海域海洋要素?cái)?shù)據(jù)，驗(yàn)證了南極環(huán)境下自主導(dǎo)航、穩(wěn)定航行、自主安全潛浮等功能和性能。在第 36 次南極科考中，“探索 1000”（圖 10）水下連續(xù)工作 35 h，航程近 70 km，完成了近 20 個垂直剖面的連續(xù)觀測，獲得了海流、溫度、鹽度、濁度、溶解氧及葉綠素等大量水文探測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了我國自主水下機(jī)器人在極端海洋環(huán)境下開展科學(xué)探測的實(shí)用性和可靠性，為我國水下機(jī)器人南極科學(xué)考察業(yè)務(wù)化運(yùn)行奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

圖10 “探索1000”在南極羅斯海布放Figure 10 “Tansuo 1000” launched in the Ross Sea, Antarctica

近年來，在國家有關(guān)部門的大力支持下，我國水下機(jī)器人技術(shù)研發(fā)與科考應(yīng)用能力有了長足的進(jìn)步，多項(xiàng)技術(shù)裝備填補(bǔ)了國內(nèi)空白，部分技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。面向深海資源勘查、海洋科學(xué)研究等國家重大需求，構(gòu)建了譜系化技術(shù)裝備體系，引領(lǐng)了我國水下機(jī)器人裝備發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了深海資源近底高精度聲光綜合探測、深海原位取樣及分析探測、超長航程跨季度跨海域持續(xù)觀測及深淵海溝、南極和北極冰下探測，使我國具備了全海深探測與作業(yè)能力[9]。在推動材料、流體和聲學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上，不斷推動設(shè)立機(jī)器人海洋學(xué)、機(jī)器人測繪學(xué)等新型學(xué)科，帶動傳感器、能源、推進(jìn)、導(dǎo)航、通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了我國深?？茖W(xué)研究與技術(shù)裝備研發(fā)的緊密結(jié)合。

水下機(jī)器人應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)表明，堅(jiān)持走深海技術(shù)國產(chǎn)化道路是我國的正確選擇。我國具有全面自主掌握深海核心關(guān)鍵技術(shù)的能力和潛力。堅(jiān)持“戰(zhàn)略先導(dǎo)先行—重大研發(fā)任務(wù)攻關(guān)—示范應(yīng)用”的路線，加強(qiáng)原創(chuàng)性、前瞻性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)，把裝備制造牢牢抓在自己手里，從而為海洋強(qiáng)國建設(shè)發(fā)揮更大作用。

3 水下機(jī)器人應(yīng)用展望與建議

面向未來更復(fù)雜、更極端的應(yīng)用場景，需要提高單體水下機(jī)器人的智能化水平。通過開展新型能源材料、流體力學(xué)、控制導(dǎo)航等傳統(tǒng)學(xué)科與新興學(xué)科的跨學(xué)科交叉融合與技術(shù)創(chuàng)新，推動人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)與水下機(jī)器人技術(shù)的深度融合。人工智能方法已經(jīng)在機(jī)器人視覺、移動機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人控制等方面展現(xiàn)出優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)性；隨著社會信息化不斷提高，大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，且獲得了廣泛的應(yīng)用。這些先進(jìn)技術(shù)為水下機(jī)器人智能化提供了新思路和新方法，例如：采用人工智能方法，可提高水下機(jī)器人的環(huán)境感知理解、自主行為決策等智能化水平；采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，可提升水下機(jī)器人健康自評估和修復(fù)、目標(biāo)動態(tài)識別等能力。研發(fā)新一代智能水下機(jī)器人，進(jìn)一步完善水下機(jī)器人譜系化裝備體系，實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人向智能水下機(jī)器人的技術(shù)跨越，已成為水下機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢。

面向未來更廣泛、更迫切的國家需求，需要充分利用不同類型水下機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn)，提高水下機(jī)器人集群綜合探測能力。突破跨域集群多源實(shí)時感知、多源信息融合、即時決策響應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人間的互聯(lián)互通，構(gòu)建多機(jī)器人跨域集群協(xié)同探測與作業(yè)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)海洋應(yīng)用提供前瞻技術(shù)儲備。

面向我國深海技術(shù)裝備的未來應(yīng)用，從研發(fā)極端環(huán)境裝備、長期駐留科考、無人化科考、科學(xué)問題認(rèn)知等方面，提出 4 點(diǎn)發(fā)展建議。

（1）研發(fā)適應(yīng)極端海洋環(huán)境的深遠(yuǎn)?？瓶佳b備。面向南極、北極、深淵海溝等“三極”極端海洋環(huán)境應(yīng)用的需求，提高自主環(huán)境感知、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)、智能決策與自主生存等技術(shù)。研發(fā)超長航時海洋中小尺度觀測系統(tǒng)、穿越北極自主水下機(jī)器人、環(huán)南大洋跨年連續(xù)觀測水下機(jī)器人、南極冰腔探測作業(yè)機(jī)器人等。通過水下機(jī)器人的技術(shù)進(jìn)步，提高人類對海洋的認(rèn)知水平，深刻理解海洋對全球氣候變化的影響。

（2）實(shí)現(xiàn)從航次型科考模式向深海長期駐留型科考模式的轉(zhuǎn)變。針對深淵科考、深海礦產(chǎn)資源開采和深海油氣資源開發(fā)等需求，突破海洋裝備駐留海底所需解決的長期防腐蝕、高速信息交互、高效能源補(bǔ)給、模塊化換裝、區(qū)域全場景監(jiān)控及自主作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建海底基站原位觀測與智能水下機(jī)器人大范圍觀測探測相結(jié)合的近海底科考體系，實(shí)現(xiàn)我國深海海底開展長期駐留連續(xù)科考與作業(yè)，深刻理解全球氣候變化對海洋海底環(huán)境的影響。

（3）實(shí)現(xiàn)從有人科考向無人化科考模式的轉(zhuǎn)變。面向更極端海洋觀測與探測的需求，全面提升海洋科考效率，構(gòu)建高海況適應(yīng)的少人化或無人智能船與水下機(jī)器人深入融合的綜合科考體系。突破高海況適應(yīng)科考母船建造、水下機(jī)器人高效布放回收、遠(yuǎn)程虛擬的水下科考作業(yè)操作、自動化實(shí)驗(yàn)室樣品處理與分析等技術(shù)。通過技術(shù)進(jìn)步，降低海上科考隊(duì)規(guī)模，提升海上無人裝備應(yīng)用水平，減少惡劣海況對科考作業(yè)的影響。

（4）不斷提高海洋重大基礎(chǔ)性科學(xué)問題認(rèn)識水平。依托智能船和海洋機(jī)器人觀測探測技術(shù)，不斷深化對臺風(fēng)、內(nèi)波、生態(tài)環(huán)境等海洋重大科學(xué)問題的認(rèn)識。深化臺風(fēng)極端海洋動態(tài)過程認(rèn)識，構(gòu)建臺風(fēng)過程大氣-海氣界面-上層水體“跨界面”立體觀測系統(tǒng)；突破臺風(fēng)核心區(qū)跟隨觀測瓶頸，揭示臺風(fēng)-海氣耦合機(jī)制，提高預(yù)報精度，助力臺風(fēng)災(zāi)害預(yù)防。深化海洋中小尺度過程極端海洋動態(tài)過程認(rèn)識，構(gòu)建中小尺度過程“跨尺度”長時間立體同步觀測系統(tǒng)；突破全周期立體協(xié)同動態(tài)跟蹤觀測瓶頸，揭示內(nèi)波生消機(jī)制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報，提升安全保障能力。深化海洋生態(tài)環(huán)境極端動態(tài)過程認(rèn)識，構(gòu)建海洋生態(tài)環(huán)境“跨學(xué)科”四維立體長時續(xù)觀測系統(tǒng)；突破全方位高效動態(tài)協(xié)同觀測瓶頸，揭示生態(tài)環(huán)境耦合機(jī)理，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)和示范應(yīng)用，中國構(gòu)建了譜系化的水下機(jī)器人的裝備體系，具備了開展不同類型水下機(jī)器人的正向設(shè)計(jì)能力。站在新的歷史發(fā)展階段，推動產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，加快構(gòu)建水下機(jī)器人工業(yè)化體系，加強(qiáng)行業(yè)應(yīng)用，努力提升水下機(jī)器人對我國海洋經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)度，為我國加快海洋強(qiáng)國建設(shè)作出更重要的科技貢獻(xiàn)。