「海鬥一號」在馬裡亞納海溝實現4次萬米下潛，最大下潛深度10907米，刷新了我國潛水器最大下潛深度紀錄，填補了我國萬米級作業型無人潛水器的空白。你能不知道，從遙控水下機器人到自主遙控水下機器人，科學家用了15年的時間，讓水下機器人從淺海一步步走進深淵…
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院瀋陽自動化研究所研究員李一平演講實錄：
我本人從事的專業是水下機器人研究，所以大家可能聽起來感覺比較酷，我自己也覺得這是挺有趣的一件事情。
過去的幾年中我們做了一些工作，通過媒體的報導，大家可能也有所耳聞，今天我們請水下機器人作為主角，帶大家去看一看水下到底是怎樣的奇妙世界。
說到水下機器人，大家可能更多是通過媒體來了解，比如2016年，我們研製的「海鬥」號下潛到了馬裡亞納海溝，挑戰深淵的最深處——海溝的底部，當時大家都覺得，中國人終於造出了能夠到達海洋最深處的水下機器人。
我們首先要講一講它的特點。通常，我們說水下機器人的發展有60年的歷史，這主要指世界水下機器人的發展歷史，對於中國，我們大概經歷了30多年的水下機器人發展過程。水下機器人主要分成兩種：遙控水下機器人和自主水下機器人。
對於遙控水下機器人，需要電纜將它和母船進行連接，母船通過電纜為它提供能源，它通過電纜向母船回傳獲得的數據。整個過程中因為有母船的支持，所以它不會跑得很遠，也正因此，它只能在水下的一個小範圍，或者局部範圍內做定點觀測。
通過這些圖，大家可以看到水下機器人在水中巡遊時拍到的一些水中生物的情況。對於大型的遙控水下機器人，有時我們會給它裝上機械手，以便它在水下進行取樣作業。
下圖顯示的是我們在2017年研製出的我國第一臺6000米級的遙控水下機器人，當時，它在水深5600米的地方布放了一個標誌物和一面國旗。那時我們覺得這個機器人是能夠下潛到6000米級深度的唯一一個遙控水下機器人，所以我們在那個地方布置了一個標誌物，表明我們曾經到達過這裡。
另外一種是自主水下機器人，也是我加入團隊時開展研製的一類水下機器人。我們從20世紀90年代初期開始研製自主水下機器人，到現在經歷了20多年的時間。
這類水下機器人最大的特點是沒有臍帶電纜的約束，可以在海中走得更深更遠，所有的能源通過體內攜帶的電池提供，所以我們在設計的時候，要讓它的外形呈良好的流線型，保證它在水中走得更深更遠。
自主水下機器人還有一個特點，正是因為它沒有和母船連接的電纜，所以獲取的數據需要等它回來才能導出，也就是說，我們不能實時獲得數據。
做過這兩類機器人後，我們想，能不能做一種新型機器人，代替我們去更遠的未知海域。遙控水下機器人（ROV）有電纜的約束，自主水下機器人（AUV）沒有電纜的約束，但數據不能實時傳輸。
所以我們想能不能研製一種新型機器人，既可以大範圍運動，也可以在局部範圍內做精細的觀測。這就是我們最初提出自主遙控水下機器人設計理念的雛形，我們把這種新型水下機器人叫作ARV，它的英文名字來源於ROV和AUV。
引發我們這個想法的還有一件事。2003年，我國一臺遙控水下機器人去北極進行了一次觀測活動，是我國機器人歷史上比較重要的一件事情，意味著我們開拓了新的應用領域。
機器人從北極返回後，我們就在想它還有哪些不足、還要做哪些改進。那時我們想能不能把那根電纜去掉，或者以另外一種電纜的形式呈現。基於此，我們提出了ARV的設計想法，我們想到用光纖來代替原本很粗的臍帶電纜，有限的範圍內可以裝更長的光纖，保證機器人走得更遠。
回想起來，從最初有這樣的想法到最後在極端環境下的應用，實際上經歷了15年的時間，這張圖顯示了我們研製水下機器人的時間線。2001年，我們在張艾群主任的建議和支持下，申請到了創新基金項目，研製一個遙控水下機器人和自主水下機器人都能用得到的小型控制系統。
水下機器人的核心實際就是計算機的控制系統，所以我們想做一個能夠在剛才說到的兩種機器人，甚至未來全新的機器人上都可以用得到的控制系統。我們用了將近兩年的時間，利用一個舊的遙控水下機器人平臺幫我們實現了這樣的想法。
後來，我們又申請到了同樣的項目，來做新型ARV關鍵技術驗證平臺。對於ARV這種混合式機器人來講，亟待解決的核心問題有很多，其中最重要的一個就是替代電纜的光纖。
當時，我們訪問了光纖的生產廠家，告訴他們想要做什麼樣的水下機器人，希望能夠在水下機器人上搭一根光纖，他們也講了光纖的生產過程。不過，當時的光纖主要應用在通訊領域，沒有在水下機器人身上應用過。
他們還帶著我們做了一些試驗，我們也測試了光纖的拉力及其他相關參數。經過不斷地試驗，最終在2005年，我們把設想的混合式機器人做出來了。緊接著，我們在水庫進行了湖上試驗，來驗證這種機器人能不能自由航行，或者說它還有哪些問題需要改進。
在後續的這些年裡，我們不斷地探索，不斷地失敗，不斷地尋找新的解決方案，最終做了五型的機器人，讓它在極端環境，比如北極、馬裡亞納海溝都得到了實際應用。
現在我們來談一談這種混合水下機器人（ARV）是如何在北極和馬裡亞納海溝工作的。
說到北極，大家可能想到的就是被海冰覆蓋著的、白雪茫茫的一片冰雪世界。的確，北極是一個冰的世界，但厚厚的海冰下是一片海洋。
水下機器人在北極得到應用，要面臨幾個挑戰。極地是一個高寒地區，水下機器人所有的元器件都要耐得住低溫；極地還是一個高緯度地區，在北極極點，所有的導航設備、磁的設備都會失靈。
還有一個挑戰，北極的海冰並不是固定在海面不動的，海冰隨著時間在漂移，所以你今天到的地方，明天如果想再去，沒有好的導航系統幫助，你可能就去不了了。
但是，科學家們希望我們能夠讓水下機器人在北極看一看海冰的分布情況，因為極地氣候是導致全球氣候變暖的主要因素，科學家們想通過研究極地海冰融化的速度來了解它對全球氣候的影響。
機器人做出來之後，我們一共參加了三次北極科考。2008年，第一型的北極ARV系統完成研製工作。因為9月份「雪龍」號要前往北極，所以春天我們已經將機器人成功研製出來了。接著，我們在水庫進行了模擬海冰情況的湖上試驗。當時在國內我們找不到有像北極海冰那麼厚的冰的海域，所以只能通過湖上試驗來測試機器人的系統。
但機器人到了北極具體該怎麼用，我們卻拿不太準，畢竟連人類都很少去北極。考慮到大家沒有在北極使用水下機器人的實操經驗，第一次用的時候，我們找了一個相對開闊的海域，通過「雪龍」號搭載的「中山」艇把機器人放下去。通過視頻大家可以看到，機器人在海冰的邊緣和底下航行，那是科學家頭一次看到北極海冰下的壯觀景象。
還有一件有意思的事情，以往我們做的水下機器人都是看海底或者水體，但這個機器人卻是要向上看海冰，因此所有的傳感器、觀測設備都要向上安裝，這樣機器人在行走的時候，我們才可以清楚地看到冰下的世界。
2010年，這一型機器人又參加了中國的第四次北極科考。有了上次的經驗，這次我們知道要找一個比較開闊的海域投放機器人，可實際上，找到這樣的區域是非常困難的。
我的幾個同事花了三天的時間鑿了一個冰洞。冰洞的大小約是2米×1米，海冰的厚度達1.8米，這個冰洞所在的緯度是北緯87度，而緯度最高就是90度，所以鑿冰洞的工作難度也是相當大。
通過這個冰洞，我們把水下機器人投放下去，待它執行完任務後，再把它從冰洞裡回收起來，這就對機器人提出了很高的要求：完成任務後還要能回到原投放地。
經過這次北極科考，我的同事們都覺得機器人的體積還是大了些，鑿冰洞也比較費時間，下次再去的時候一定要把機器人做的小點。現在大家看到的就是體積只有原來一半大小的改進後的機器人。
2014年，我們再次去了北極。有了上次的經驗，這次我們花的時間就少多了。下圖這就是機器人從冰洞口被投放下去的過程，通過機器人，我們可以看到海冰下冰的裂縫以及海冰融池等諸多情況。
剛才跟大家分享的是水下機器人在北極的應用情況，當初做機器人的時候，我們想機器人還需要到另一個極端環境——海底深淵去看一看。我們把深度為1000米的海域定義成深海，深度在6000米以上的海域就叫深淵了。
2014年，我們的海鬥深淵專項項目獲得了中科院先導專項的資助。深淵是一個又細又長的區域，從縱剖面看呈漏鬥狀，所以我們把它形象地稱為海鬥深淵。
馬裡亞納海溝是世界上迄今為止大家所知最深的深淵，世界上很多科學家都想研究這個海溝，深淵技術的發展和開展深淵科學研究，都將面臨巨大的挑戰。
對於從事機器人研製工作的我們而言，設計一款機器人，讓它到深淵去看一看，從而獲得一些數據供科學家研究海底深淵的生物、深淵的地質是非常有必要的。
過去的三年中，我們經歷了很多次試驗，從實驗室到湖上，從淺海到深海，試驗一步一步走過來。在深淵環境，最大的技術難點就是耐壓、抵禦黑暗以及寡營養。馬裡亞納海溝是目前已知的世界上最深的地方，大部分水深在8000米以上，最大水深超過10000米，我們的機器人必須要耐得住海底強大的壓力。
水深10000米的地方大氣壓大概是100兆帕，這是什麼概念？1cm2要承受1噸的壓力，而1cm2是多大？也就是大家拇指指甲蓋的大小。指甲蓋大的面積要承受1噸重的壓力，恐怕任何物體到了深淵都會被壓成餅吧！所以我們研製水下機器人，最主要的就是要解決它的耐壓問題，保證它能順利下潛到馬裡亞納海溝的底部。
其實早在1995年，我們就製造出了我國的第一個6000米級的自主水下機器人，但從6000米到11000米還有5000米的壓力難度等著我們去攻克。經過很多次的試驗，方案推倒了重來，失敗了再重新做，終於，我們把機器人送到了深淵的底部，我們把這一過程笑稱為「走向深淵」。
下圖顯示的是「海鬥」號做淺海試驗時在水深幾十米地方拍攝到的海參，以及3000米海試時拍攝到的海底生物圖片。
下圖是2017年水下機器人在馬裡亞納海溝底部安全著底時實時傳輸的海底視頻截圖。當時，母船上的很多科學家都是第一次看到深淵的景象，感覺像回到了遠古時代，回到了那個以前從來沒有人類去過的地方，看過通過光纖傳輸過來的深淵視頻，大家都非常興奮。圖中的軌跡就是「海鬥」號在海底進行坐底航行時留下來的，這個軌跡也永遠地留在了馬裡亞那海溝的海底。
做了這麼多機器人，我們更多的時候在想：未來的水下機器人會是什麼樣子？是遙控水下機器人ROV，還是自主水下機器人AUV，還是自主遙控水下機器人ARV？是它們三種的結合體，或是一種全新的機器人？一切皆有可能。但不管怎樣，我們可以用一句話概括未來的機器人的發展方向——更深、更遠、更強。
更深和更遠大家很好理解，就是機器人能在水下走得更深，能航行得更遠。我們現在去了馬裡亞納海溝，那裡水深10000多米，以後機器人還將去更深的海域。現在機器人可以航行上千公裡，以後一定要航行得更遠才行。
對於更強，我覺得有很多方面的含義，比如，未來的水下機器人可以攜帶更強的作業工具，能夠完成更複雜的海底作業，甚至不用人來遙控，而是自主地完成任務。
還有一種情況，就是完全自主的機器人攜帶機械手完成複雜的海底作業。或者是仿生的機器人，跨介質的機器人，能夠在水下巡遊、在水面航行、在空中飛行。要達到這樣的目的，我覺得最重要的是智能，不是做一個完全跟人類一樣智能的水下機器人，而是賦予機器人更高的智能，這些通過技術的發展是可以實現的。
機器人智能的標誌是什麼？簡單說，就是通過它自身攜帶的傳感器感知水下的世界，通過這些傳感器或者計算機控制系統知道自己在哪兒、要到哪兒去，從而做出合情合理的決策，到了指定區域，知道該怎麼開展工作，這些就是機器人智能的體現。
這種智能可能體現在單個機器人上，也可能體現在一群機器人上，相同的機器人或不同的機器人通過合作完成複雜的水下作業任務。當然，還有可能通過人的意念來控制機器人，讓它完成更為複雜的水下任務。
所有這些，我相信隨著技術的發展，在不久的未來都能成為現實，只不過這需要經歷時間的磨鍊，也需要科研工作者不斷地進行探索和追求。
最後我想借用封錫盛院士的一句話來結束今天的報告:人類源自海洋，但是人類已經無法回到故鄉。不過，我想今後藉助水下機器人，我們一定能實現重返故鄉的夢想。我的報告就是這些，謝謝大家。
「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。
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