國產自主水下機器人從追趕到并跑

　　“潛龍”系列深海自主水下機器人研發及應用團隊

　　國產自主水下機器人從追趕到并跑

　　“潛龍三號”(沈陽自動化所供圖)

　　比人還大的“小丑魚”你見過嗎?在中國科學院沈陽自動化研究所(以下簡稱沈陽自動化所)就有這樣一條“小丑魚”，長3.5米、高1.5米、重1.5噸，它的全稱叫“潛龍三號”4500米級自主水下機器人，曾因為“小丑魚”尼莫的外形一度成為網紅。

　　據悉，“潛龍”系列自主水下機器人家族共有四個成員，先后在太平洋、大西洋、印度洋等海域執行大洋航次，為我國開展深海資源礦區自主勘探作出了重要貢獻。其中，“潛龍二號”憑借累計下潛59次，居家族成員榜首。

　　“潛龍二號”第50次下潛成功。(沈陽自動化所供圖)

　　“潛龍二號”“潛龍三號”總設計師、沈陽自動化所研究員劉健向《中國科學報》介紹：“‘潛龍’系列誕生于‘十二五’和‘十三五’期間，但我們團隊在自主水下機器人領域的探索研究進行了幾十年，最終完成國產深海自主水下機器人從無到有、從追趕到并跑。”

　　日前，“潛龍”系列深海自主水下機器人研發及應用團隊獲得2021年度中國科學院科技促進發展獎。

　　“核心技術花錢買不到”

　　深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏，是人類社會謀求未來生存與發展的重要戰略新疆域。深海礦產資源被認為是21世紀最重要的陸地礦產接替資源，作為人類尚未開發的寶地和高技術應用領域之一，已經成為各國的重要戰略目標。

　　自2001年起，我國陸續獲得了包括多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼等3種資源類型在內的5個大洋海底勘探合同區，成為資源種類最全、勘探合同區最多的國家之一，有效地拓展了國家戰略資源的新來源。

　　隨著這些礦區勘探合同的簽訂，高精度、高效的深海探測裝備需求也隨之出現。自主水下機器人作為一種可在水下長時間自主探測的無人無纜潛水器，是人們認識、開發、利用和保護海洋的高新技術手段。

　　據了解，深海自主水下機器人通過搭載多種類的探測載荷，可進行海底地形地貌、地質結構、海底流場、海洋環境參數等大范圍、全覆蓋、高精度探測。但世界上具備這種能力的深海自主水下機器人為數不多，相關國家的技術還對我國封鎖。

　　“我國早期曾租用過一臺國外的深海自主水下機器人，不僅價格昂貴，而且全程的操控要由外方的人員完成。” 劉健說，“我國也曾試過從國外進口設備，但當具體落實時，卻被無限期推遲。近些年，國外對我們的限制更嚴格了，曾有單位已經談妥要租用一臺國外的深海自主水下機器人，合同都簽了，但在自主水下機器人裝船期臨近時卻被對方無故叫停。”

　　“既然核心技術花錢買不到，那我們就自己干。”劉健回憶，在國家和部委項目的支持下，沈陽自動化所聯合國內優勢單位，開始研制“潛龍”系列深海自主水下機器人。

　　從原理樣機到實用機型

　　早在2000年，劉健就帶領團隊開始著手研制“潛龍”系列水下機器人。劉健是“潛龍一號”課題負責人，但在“潛龍一號”湖試之后，“潛龍二號”的研制就提上日程。

　　“潛龍”項目團隊成員之一、沈陽自動化所研究員徐會希接過“潛龍一號”總設計師的重任。“在這之前，我們研制的淺水型自主水下機器人居多，參加‘潛龍’項目以來發現，從淺水到深水技術需求不一樣，在強化設備的實用性方面還有待進一步摸索。”徐會希告訴《中國科學報》。

　　“潛龍一號”(沈陽自動化所供圖)

　　“潛龍一號”試驗隊太平洋試驗合影(沈陽自動化所供圖)

　　自2011年年底立項以來，“潛龍一號”完成了設計調試后，先后經歷了實驗室測試、湖試、海試和航次應用，徐會希全程見證了“潛龍一號”的成長，一次次試驗也讓徐會希胸有成竹。

　　拋繩、撈繩、回收、獲取地形圖……2013年10月1日至12日，“潛龍一號”在太平洋下潛7次，于 5000多米多金屬結核詳細勘探區近海底潛行作業近30小時，完成聲學微地形地貌調查測線任務。

　　“潛龍二號”的研制也在緊鑼密鼓地進行中。不同于“潛龍一號”圓柱形外形，“潛龍二號”在外形上更像一條立扁形魚。在外觀上，“潛龍二號”和“潛龍三號”是一對“雙胞胎兄弟。

　　“潛龍二號”(沈陽自動化所供圖)

　　然而，這種設計并非單純為了追求好看。“非回轉體立扁魚形設計，依據的是水動力優化計算的結果，有利于它在復雜海底地形中垂直面爬升，同時具備水面航行能力。”劉健介紹稱，“雖然‘潛龍二號’和‘潛龍三號’設計的水深等級只有4500米，但面對的海底地形更復雜，整個海底作業幾乎是在爬山和下山中完成。”

　　2019年“潛龍三號”在大西洋應用成功，標志著我國深海勘探型水下機器人開始步入實用化、常態化階段。

　　“潛龍三號”海試驗收任務試驗隊合影(沈陽自動化所供圖)

　　深海資源勘探國產利器

　　“潛龍”系列深海自主水下機器人是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探系統，不僅填補了我國深海資源自主勘探的空白，還在某些性能指標上領先于國外的深海自主水下機器人，成為我國自主勘探深海資源的利器。

　　以“潛龍三號”為例，科研人員放棄了傳統的測距聲納，“因為海底石林視角小，測距聲納很難準確判斷周圍環境。”劉健介紹。

　　在實際海底作業過程中，“潛龍三號”用前視聲納感知前方障礙物，結合慣導系統，計算自己所處的位置，根據高度計感知的高度信息、深度計感知的深度信息，按照規定的航行路徑航行，同時正確打開或關閉各個探測設備，在一片漆黑的深海自主“翻山越嶺”。 “潛龍三號”航行期間還可將其位置及工作狀態等信息通過背部的聲通信系統發送至母船。

　　多金屬硫化物資源是海底熱液活動的產物，海底熱液區包括活動熱液區與非活動熱液區。溫鹽深儀、濁度儀、以及甲烷探測儀等水體傳感設備僅能探測到活動熱液區的水體異常，這些水體傳感設備對于尋找價值更加巨大，但已經停止活動的熱液區的多金屬硫化物資源無能為力。

　　為此，“潛龍三號”在魚尾巴處內置有磁力儀，這對多金屬硫化物資源勘探格外重要。劉健表示：“針對熱液沉淀會引起海底磁異常改變的特性，三分量磁力儀不僅能幫助發現活動熱液區，而且還能幫助找到非活動熱液區，成為多金屬硫化物資源勘探重要設備。”

　　盡管“潛龍”系列每次都成功完成了任務，但布放和回收一直讓人提心吊膽。“海上作業窗口期短暫，還存在很多不確定因素，這么貴的設備一旦出現意外，損失不可挽回。未來我們希望可以在海底建設基站，實現集群探測，讓裝備更好地服務于深海資源探測。”劉健說。

　　據徐會希介紹，“潛龍四號”是中國大洋協會采購的產品化6000米自主水下機器人，是一款面向用戶應用需求的定制化自主水下機器人產品，其主要技術指標較“潛龍一號”有較大幅度提升，可靠性更好。2020年，“潛龍四號”首次執行大洋調查任務。

　　“潛龍四號”(沈陽自動化所供圖)

　　“潛龍四號”大洋試驗隊合影(沈陽自動化所供圖)

　　目前，“潛龍三號”“潛龍四號”已經移交給應用單位。“潛龍一號”“潛龍二號”的升級改造已經接近尾聲，升級完成后也將交付給應用單位。“潛龍”系列水下機器人的持續應用必將為我國的深海礦產資源調查做出更大的貢獻。

　　“我們深刻地意識到，提高海洋資源開發能力是建設海洋強國的重要表征之一，作為肩負建設海洋強國使命與重任的海洋研究領域‘國家隊’，我們將潛心研發，持續攻克水下機器人裝備的核心關鍵技術，讓智能化的裝備更加高效能地服務于我國深海資源勘探。”沈陽自動化所副所長李碩對《中國科學報》表示。