從明朝鄭和七下西洋，到意大利哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲新大陸，再到英國“挑戰(zhàn)者”號完成世界首次環(huán)球海洋科學(xué)考察……幾百年來，人類以海為媒，進行溝通和貿(mào)易，也逐漸關(guān)注海洋本身，研究這個占地球面積最大（71%）、卻為人所知最少的藍色世界。作為探索海洋、認(rèn)識海洋和開發(fā)海洋的重要裝備，潛水器（有時也稱為“水下機器人”）日益成為科考船的標(biāo)配，如今正迎來百花齊放時期。

日前，中國科學(xué)院海洋研究所無人有纜潛水器（ROV）“發(fā)現(xiàn)”號完成下潛300次；自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所自主遙控潛水器（ARV）“問海1號”入列“海洋地質(zhì)九號”科考船……作為海洋科考重鎮(zhèn)，青島的潛水器特別是無人潛水器日新月異，彰顯著我國在該領(lǐng)域進入快速發(fā)展期。

“發(fā)現(xiàn)”號下潛300次的背后

張鑫到中科院海洋所參加工作的2009年，所里了解、使用潛水器的科學(xué)家屈指可數(shù)。而他在國外主要從事深海拉曼光譜原位探測技術(shù)（拉曼探針）研發(fā)，科研工作又需要潛水器支持。“拉曼探針在海底工作離不開潛水器平臺支撐。在海中，它將一束激光打到深海環(huán)境中，根據(jù)激發(fā)光的后向散射信號就可以獲得被測物質(zhì)的化學(xué)成分、生理狀態(tài)，因此不會破壞海洋生物及其生存環(huán)境?！睆墓ぷ饕潦贾钡饺缃?，張鑫就干一件事，那就是研發(fā)拉曼探針并以此開展原位實驗。他回憶說，在參加工作后的很長一段時間里，因為國內(nèi)不具備科研條件，他每年都要花費兩三個月出國做實驗，“當(dāng)時，我越發(fā)覺得要在國內(nèi)繼續(xù)我的事業(yè)，第一要務(wù)是能有一條先進的科考船提供科考平臺，其次科考船上要配備一個先進的水下機器人，帶著拉曼探針進行深海探測和實驗?！?/p>

這個機會不久就來了。2010年，我國綜合性能最先進的科考船“科學(xué)”號開工建造，2012年交付中科院海洋所管理運行?！靶疫\的是，由于當(dāng)年造船使用的鋼材價格一路走低，建造科考船的費用節(jié)省出了5000多萬元?！睆場握f，經(jīng)過時任所領(lǐng)導(dǎo)支持，由他擔(dān)任工程技術(shù)部副主任，全權(quán)負責(zé)設(shè)計定制一個4500米級的水下機器人。具體來說，該工作從2012年開始，一直持續(xù)到2014年，他帶領(lǐng)團隊提出設(shè)計需求并進行監(jiān)造，由英國企業(yè)完成定制。這個水下機器人就是如今的“發(fā)現(xiàn)”號ROV，在今年7月10日，“發(fā)現(xiàn)”號完成了第300個海洋科學(xué)考察潛次任務(wù)。

這是“發(fā)現(xiàn)”號ROV，從科考船甲板上可以看到需要加裝的浮球。

一般而言，無人潛水器分為無人無纜潛水器（AUV）和無人有纜潛水器（ROV）。AUV自帶能源，可自主航行，能夠執(zhí)行大范圍探測任務(wù)，但作業(yè)時長、數(shù)據(jù)實時性等能力有限。ROV有一條電纜與母船連接，依靠臍帶電纜提供動力，水下作業(yè)時間長，能夠?qū)崿F(xiàn)海底精確圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸，作業(yè)能力較強，但作業(yè)范圍有限。近年來，我國結(jié)合AUV和ROV的優(yōu)點，還研發(fā)了自主遙控水下機器人（ARV），既可以無纜自主、也可以有纜遙控作業(yè)。相較而言，這些潛水器各有優(yōu)勢特點，但在海底作業(yè)的優(yōu)勢是共同的：一是在海底進行原位的觀測，并拍攝高清海底光學(xué)影像，同時可以開展深海激光掃描作業(yè)，其空間分辨率可達到厘米級；二是可以直接在海底開展實驗，最大程度認(rèn)知深海生命過程變化，這是陸地實驗室無法比擬的。

“以往的深海研究是將深海樣品取樣，帶回陸地實驗室進行分析。但由于取樣擾動帶來的樣品變化，特別是深海樣品從海到陸后由于壓力、溫度等因素的驟變，其生理活動可能也發(fā)生了改變，導(dǎo)致后期的分析研究并不準(zhǔn)確。”借助“科學(xué)”號科考船和“發(fā)現(xiàn)”號潛水器，張鑫在國外的科研工作很快在國內(nèi)“復(fù)現(xiàn)”。2015年，他首次將自主研發(fā)的國際首臺耐高溫（450℃）拉曼光譜探針安裝在“發(fā)現(xiàn)”號進行應(yīng)用。他說，利用潛水器上安裝的拉曼光譜探針等設(shè)備，可以直接對深海極端環(huán)境進行化學(xué)成分分析；也可以利用潛水器在海底做實驗，實現(xiàn)將實驗室搬到海底。這種無須傳統(tǒng)取樣方式的原位探測技術(shù)和實驗，已成為國際深海研究的熱點。

“潛龍一號”是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首臺實用型6000米AUV。

正是看到潛水器獨具特色的裝備優(yōu)勢，特別是看到西方國家利用潛水器快速進入深海熱液、冷泉等極端環(huán)境，科研成果頻出，我國在無人潛水器領(lǐng)域的研發(fā)也在這個時期開始興起。除“發(fā)現(xiàn)”號ROV之外，2009年，我國首臺具有3500米作業(yè)深度的無人有纜潛水器“海龍II”號ROV由上海交通大學(xué)完成研制，開始試用。時間再稍往前，沈陽自動化所研發(fā)的CR-02，是繼CR-01之后我國第二臺6000米AUV，于2007年通過技術(shù)驗收；沈陽自動化所研發(fā)的北極ARV，最大潛深100米，已于2008年搭乘“雪龍”號科考船出征我國第三次北極科考。這幾個不同類型的無人潛水器，加之載人潛水器“蛟龍”號，基本就是21世紀(jì)第一個十年里我國潛水器的家底。

而“發(fā)現(xiàn)”號ROV的研發(fā)，也為我國后來的無人潛水器發(fā)展提供了技術(shù)借鑒?！耙酝臐撍魃厦嫱ǔ０惭b巨大的臍帶電纜管理系統(tǒng)（TMS），科考船通過鎧裝光電復(fù)合纜連接這個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中儲存的零浮力臍帶電纜再連接潛水器。這主要是借鑒了用于海洋工程的無人潛水器的做法，但海洋科考不同，在實際應(yīng)用中難以保持潛水器與TMS相對穩(wěn)定?！睆場握f，“發(fā)現(xiàn)”號ROV最大的不同就是不再保留這套TMS系統(tǒng)，而是直接在靠近潛水器端的最后50米鎧裝電纜上加裝浮球，使其在海底保持正浮力，這樣在科考作業(yè)時電纜在水中形成了一個接近百米的“S”形，潛水器可以自由移動，且不易與鎧裝電纜產(chǎn)生糾纏。自“發(fā)現(xiàn)”號ROV如此設(shè)計之后，我國后來研發(fā)的科考型ROV也都沿用了這種方法。

青島的無人潛水器已有約20個

走進國家深?；亍白呦蛏詈！闭箯d，可以看到陳列其中的我國各類無人潛水器模型。最令人矚目的自然是“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備系列，它們大小、形態(tài)各異，是載人潛水器（HOV）、無人有纜潛水器（ROV）和無人無纜潛水器（AUV）中的代表。

“深海蘊藏著豐富的資源，是地球上遠未充分認(rèn)識和開發(fā)的寶藏?！眹疑詈；毓芾碇行母笨偣こ處煻≈臆娬f，隨著國際海底調(diào)查研究工作的深入，我國自2001年起相繼獲得包括多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼等資源類型在內(nèi)的5個大洋海底勘探合同區(qū)，成為海底礦產(chǎn)資源種類最全、勘探合同區(qū)最多的國家之一。深海礦產(chǎn)資源勘探、開發(fā)，離不開深海探測裝備支持，利用載人潛水器抵達海底，可以對海底資源環(huán)境進行更加詳細的實地勘察，因此，“蛟龍”號研發(fā)快速提上日程。

“蛟龍”號如此，“海龍”號、“潛龍”號亦是如此。以“潛龍”號為例，為了滿足我國已申請的國際海底礦區(qū)勘查和新礦區(qū)圈定的迫切需要，中科院沈陽自動化研究所聯(lián)合國內(nèi)多家機構(gòu)于2012年12月成功研制“潛龍一號”，這是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首臺實用型6000米AUV，具有微地形地貌測量、海底照相、磁力探測等功能，可在水下6000米處自主巡航，連續(xù)工作24小時。此后，中科院沈陽自動化研究所相繼研發(fā)出“潛龍二號”、“潛龍三號”和“潛龍四號”，性能參數(shù)皆有變化。值得一提的是，“潛龍一號”和“潛龍四號”為6000米級，外形為圓柱形，作業(yè)區(qū)域更適用于海底相對平坦的礦區(qū)；而“潛龍二號”和“潛龍三號”為4500米級，外形為立扁魚型，因此更有利于在復(fù)雜海底地形礦區(qū)作業(yè)。“潛龍”系列潛水器的研制，為我國深海資源精細勘查提供了有力手段，填補了我國深海資源自主勘查的空白。

“進入21世紀(jì)第二個十年，也即從‘十二五’開始，我國在研發(fā)載人潛水器的同時，無人潛水器也快速發(fā)展，可謂日新月異?！倍≈臆娬f，“潛龍三號”由中科院沈陽自動化所移交深海中心，“海龍三號”ROV移交工作正穩(wěn)步推進。目前，深海中心管理運行的“蛟龍”“海龍”和“潛龍”三大深潛裝備已有10余個。此外，還有深海鉆探的“深龍”號、深海開發(fā)的“鯤龍”號、海洋數(shù)據(jù)云計算的“云龍”號以及作為立體深?？瓶贾纹脚_的“龍宮”等，深海潛水器重大裝備體系不斷完善。

“問海一號”是我國首臺交付工程應(yīng)用的ARV。

除了AUV、ROV之外，我國ARV也不斷發(fā)展，自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所6000米級“問海1號”ARV就是典型代表。據(jù)了解，“問海1號”是我國首臺交付工程應(yīng)用的自主遙控?zé)o人潛水器，具備自主、遙控、混合三種工作模式，可搭載高分辨率測深側(cè)掃、淺剖、重力儀、磁力儀、高清攝像機及機械手等進行大范圍近海底自主航行探測和坐底定點精細取樣作業(yè)。在今年的海試測試中，“問海1號”整體性能得到驗證，在無纜模式下最大航程可達45公里，在光纖微纜模式下最大航程可達21公里。目前，“問海1號”已列裝“海洋地質(zhì)九號”船，將服務(wù)于海洋環(huán)境調(diào)查、生物多樣性調(diào)查、海底特定目標(biāo)物探查、深海極端環(huán)境原位探測和深海礦產(chǎn)資源調(diào)查等深?？瓶脊ぷ?。

“海燕-X”水下滑翔機首次進入萬米深淵。

此外，水下滑翔機作為一種靠浮力驅(qū)動的新型無人無纜水下自主航行器，因具有長時間、大范圍海洋環(huán)境觀測能力，也發(fā)展迅速。在青島，最具代表性的是青島海洋科研院所聯(lián)合天津大學(xué)研發(fā)的“海燕”水下滑翔機。據(jù)介紹，2015年之前，國際上僅有一型工作深度超過4000米的水下滑翔機產(chǎn)品。而“海燕-X”水下滑翔機在2020年最大下潛深度達到10619米，這是國際上滑翔機首次進入萬米深淵，標(biāo)志我國在萬米級水下滑翔機關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。

總體來看，目前我國不同類型的無人潛水器已形成系列化、譜系化，數(shù)量倍增。以“潛龍”“探索”“悟空”系列為代表的AUV，以“海星”“海龍”“海馬”系列為代表的ROV，以“海斗”“思源”系列為代表的ARV，以“海翼”“海燕”系列為代表的水下滑翔機，代表10多年來我國無人潛水器日益強大的家底。據(jù)統(tǒng)計，青島管理運行的無人潛水器已有約20個。

“我國無人潛水器發(fā)展成績顯著，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。”丁忠軍表示，我國潛水器一般都是單臺套作業(yè)，雖然潛水器組網(wǎng)觀測也在發(fā)展中，但與國外相比，還存在一定差距，需要進一步布局。此外，我國無人潛水器產(chǎn)業(yè)也需進一步完善，應(yīng)在材料、能源、傳感器等領(lǐng)域形成體系，推動人工智能、仿生學(xué)等新技術(shù)與潛水器研發(fā)融合。相信在不久的未來，國產(chǎn)化、智能化、業(yè)務(wù)化水平更高的無人潛水器會不斷產(chǎn)出，推進我國“深海進入”“深海探測”“深海開發(fā)”，加快向海洋強國邁進。（青島日報/觀海新聞記者 李勛祥）