比人還大的“小丑魚”你見過嗎？在中國科學(xué)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。它的全稱是“潛龍三號”4500米級自主水下機器人，曾因“小丑魚”尼莫的外形一度走紅。

據(jù)悉，“潛龍”系列自主水下機器人家族共有4個成員，先后在太平洋、大西洋、印度洋等海域執(zhí)行大洋航次，為我國開展深海資源礦區(qū)自主勘探作出了重要貢獻。其中，“潛龍二號”累計下潛59次，居家族成員榜首。

“潛龍二號”“潛龍三號”總設(shè)計師、沈陽自動化所研究員劉健向《中國科學(xué)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(lǐng)域的探索研究進行了幾十年，最終完成國產(chǎn)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(fā)及應(yīng)用團隊獲得2021年度中國科學(xué)院科技促進發(fā)展獎。

“核心技術(shù)花錢買不到”

深海蘊藏著地球上遠未認知和開發(fā)的寶藏，是人類謀求未來生存與發(fā)展的重要戰(zhàn)略新疆域。深海礦產(chǎn)資源被認為是21世紀最重要的陸地礦產(chǎn)接替資源，作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為各國的重要戰(zhàn)略目標。

自2001年起，我國陸續(xù)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)，有效拓展了國家戰(zhàn)略資源的新來源。隨著這些礦區(qū)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(xiàn)。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(fā)、利用和保護海洋的高新技術(shù)手段。

據(jù)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(zhì)結(jié)構(gòu)、海底流場、海洋環(huán)境參數(shù)等大范圍、全覆蓋、高精度探測。但是，世界上具備這種能力的深海自主水下機器人為數(shù)不多。

“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，而且全程操控由外方人員完成。”劉健說，“我國也曾嘗試從國外進口設(shè)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。”

“既然核心技術(shù)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(lián)合國內(nèi)優(yōu)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(lǐng)團隊著手研制“潛龍”系列水下機器人，他是“潛龍一號”課題負責人。在“潛龍一號”湖試之后，“潛龍二號”的研制就提上了日程。

“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(shè)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。我們參加‘潛龍’項目以后發(fā)現(xiàn)，從淺水到深水技術(shù)需求不一樣，在強化設(shè)備實用性方面有待進一步摸索。”徐會希告訴《中國科學(xué)報》。

自2011年底立項以來，“潛龍一號”完成設(shè)計調(diào)試后，先后經(jīng)歷了實驗室測試、湖試、海試和航次應(yīng)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(jié)核詳細勘探區(qū)近海底潛行作業(yè)近30小時，完成聲學(xué)微地形地貌調(diào)查測線任務(wù)。

“潛龍二號”的研制也在緊鑼密鼓的進行中。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”。

這種設(shè)計并非單純?yōu)榱俗非蠛每础！胺腔剞D(zhuǎn)體立扁魚形設(shè)計，依據(jù)的是水動力優(yōu)化計算的結(jié)果，有利于它在復(fù)雜海底地形垂直面爬升，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(shè)計的水深等級只有4500米，但面對的海底地形更復(fù)雜，整個海底作業(yè)幾乎是在爬山和下山中完成的。”

2019年，“潛龍三號”在大西洋應(yīng)用成功，標志著我國深海勘探型水下機器人步入實用化、常態(tài)化階段。

深海資源勘探國產(chǎn)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(tǒng)，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(lǐng)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(tǒng)的測距聲吶，“因為海底石林視角小，測距聲吶很難準確判斷周圍環(huán)境”。劉健介紹。

在實際海底作業(yè)過程中，“潛龍三號”用前視聲吶感知前方障礙物，結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)，計算自己所處的位置，根據(jù)高度計感知的高度信息、深度計感知的深度信息，按照規(guī)定的航行路徑航行，同時正確打開或關(guān)閉各個探測設(shè)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(tài)等信息通過背部的聲通信系統(tǒng)發(fā)送至母船。

多金屬硫化物資源是海底熱液活動的產(chǎn)物，海底熱液區(qū)包括活動熱液區(qū)與非活動熱液區(qū)。“潛龍三號”在魚尾處內(nèi)置了磁力儀，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，三分量磁力儀能幫助發(fā)現(xiàn)活動熱液區(qū)、非活動熱液區(qū)，成為多金屬硫化物資源勘探重要設(shè)備。”

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

據(jù)徐會希介紹，“潛龍四號”是中國大洋協(xié)會采購的產(chǎn)品化6000米自主水下機器人，是一款面向用戶應(yīng)用需求的定制化自主水下機器人產(chǎn)品。其主要技術(shù)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(zhí)行大洋調(diào)查任務(wù)。

目前，“潛龍三號”“潛龍四號”已經(jīng)移交給應(yīng)用單位。“潛龍一號”“潛龍二號”的升級改造已經(jīng)接近尾聲，之后也將交付。“潛龍”系列水下機器人的持續(xù)應(yīng)用必將為我國深海礦產(chǎn)資源調(diào)查作出更大的貢獻。

“我們深刻意識到，提高海洋資源開發(fā)能力是建設(shè)海洋強國的重要表征之一。作為肩負建設(shè)海洋強國使命與重任的海洋研究領(lǐng)域‘國家隊’，我們將潛心研發(fā)，持續(xù)攻克水下機器人裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)，讓智能化裝備更加高效地服務(wù)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(xué)報》表示。