比人還大的“小丑魚”你見過嗎？在中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所（以下簡稱沈陽自動(dòng)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(jī)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(jī)器人家族共有4個(gè)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(xiàn)。其中，“潛龍二號”累計(jì)下潛59次，居家族成員榜首。

“潛龍二號”“潛龍三號”總設(shè)計(jì)師、沈陽自動(dòng)化所研究員劉健向《中國科學(xué)報(bào)》介紹：“‘潛龍’系列誕生于‘十二五’和‘十三五’期間，但我們團(tuán)隊(duì)在自主水下機(jī)器人領(lǐng)域的探索研究進(jìn)行了幾十年，最終完成國產(chǎn)深海自主水下機(jī)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(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用團(tuán)隊(duì)獲得2021年度中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)。

“核心技術(shù)花錢買不到”

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(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)應(yīng)用領(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(gè)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(jī)器人作為一種可在水下長時(shí)間自主探測的無人無纜潛水器，是人們認(rèn)識(shí)、開發(fā)、利用和保護(hù)海洋的高新技術(shù)手段。

據(jù)了解，深海自主水下機(jī)器人通過搭載多種類的探測載荷，可進(jìn)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(jī)器人為數(shù)不多。

“我國早期曾租用過一臺(tái)國外的深海自主水下機(jī)器人，不僅價(jià)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(jìn)口設(shè)備，但當(dāng)具體落實(shí)時(shí)，卻被無限期推遲。近些年，國外對我們的限制更嚴(yán)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(xiàng)目的支持下，沈陽自動(dòng)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(jī)器人。

從原理樣機(jī)到實(shí)用機(jī)型

早在2000年，劉健就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著手研制“潛龍”系列水下機(jī)器人，他是“潛龍一號”課題負(fù)責(zé)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員之一、沈陽自動(dòng)化所研究員徐會(huì)希接過“潛龍一號”總設(shè)計(jì)師的重任。“在這之前，我們研制的淺水型自主水下機(jī)器人居多。我們參加‘潛龍’項(xiàng)目以后發(fā)現(xiàn)，從淺水到深水技術(shù)需求不一樣，在強(qiáng)化設(shè)備實(shí)用性方面有待進(jìn)一步摸索。”徐會(huì)希告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

自2011年底立項(xiàng)以來，“潛龍一號”完成設(shè)計(jì)調(diào)試后，先后經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室測試、湖試、海試和航次應(yīng)用。徐會(huì)希全程見證了“潛龍一號”的成長，一次次試驗(yàn)也讓徐會(huì)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(xì)勘探區(qū)近海底潛行作業(yè)近30小時(shí)，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(jìn)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(jì)并非單純?yōu)榱俗非蠛每础！胺腔剞D(zhuǎn)體立扁魚形設(shè)計(jì)，依據(jù)的是水動(dòng)力優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，有利于它在復(fù)雜海底地形垂直面爬升，同時(shí)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(jì)的水深等級只有4500米，但面對的海底地形更復(fù)雜，整個(gè)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(biāo)志著我國深海勘探型水下機(jī)器人步入實(shí)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(jī)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(bǔ)了我國深海資源自主勘探的空白，還在某些性能指標(biāo)上領(lǐng)先于國外的深海自主水下機(jī)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?yàn)楹５资忠暯切。瑴y距聲吶很難準(zhǔn)確判斷周圍環(huán)境”。劉健介紹。

在實(shí)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(jì)算自己所處的位置，根據(jù)高度計(jì)感知的高度信息、深度計(jì)感知的深度信息，按照規(guī)定的航行路徑航行，同時(shí)正確打開或關(guān)閉各個(gè)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(dòng)的產(chǎn)物，海底熱液區(qū)包括活動(dòng)熱液區(qū)與非活動(dòng)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(huì)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(dòng)熱液區(qū)、非活動(dòng)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(shí)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(huì)希介紹，“潛龍四號”是中國大洋協(xié)會(huì)采購的產(chǎn)品化6000米自主水下機(jī)器人，是一款面向用戶應(yīng)用需求的定制化自主水下機(jī)器人產(chǎn)品。其主要技術(shù)指標(biāo)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(jī)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(xiàn)。

“我們深刻意識(shí)到，提高海洋資源開發(fā)能力是建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要表征之一。作為肩負(fù)建設(shè)海洋強(qiáng)國使命與重任的海洋研究領(lǐng)域‘國家隊(duì)’，我們將潛心研發(fā)，持續(xù)攻克水下機(jī)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(dòng)化所副所長李碩對《中國科學(xué)報(bào)》表示。