科考人員在甲板上做布放準備。

中國科學院沈陽自動化研究所供圖

“探索4500”自主水下機器人回收過程中。

中國科學院沈陽自動化研究所供圖

歷經1.4萬海里、79天的風浪考驗，中國第十二次北極科學考察隊圓滿完成了任務。日前，隨著“雪龍2”號科考船緩緩停靠上海國內基地碼頭，科考隊成員邵剛連日來緊繃著的神經也逐漸放松。

在這次科考中，他和3名同事負責的“探索4500”自主水下機器人（以下簡稱“探索4500”）表現出色，成功完成北極高緯度海冰覆蓋區(qū)的科學考察作業(yè)。這也是我國首次利用自主水下機器人在北極高緯度地區(qū)開展近海底科考應用，其成功下潛獲取的寶貴數據資料，將為北極環(huán)境保護提供重要的科學支撐。

首闖北極

為應對極地惡劣環(huán)境，科技人員對它進行了一系列的技術升級、改造

邵剛是中國科學院沈陽自動化研究所的副研究員，這是他第一次參加極地科考。和他一樣，“探索4500”也是第一次出征極地。

沈陽自動化研究所主持研制的“探索4500”，外觀酷似一條“大黃魚”。和普通的無人水下機器人相比，“探索4500”的自主能力更強。

沈陽自動化研究所副研究員李陽告訴記者：“相較于遙控水下機器人，‘探索4500’沒有纜線與母船連接，不需要人工干預就能夠實現自主航行和執(zhí)行探測，續(xù)航時間更長，工作范圍也更大。”

盡管“探索4500”本領已足夠強大，但要去極地惡劣環(huán)境闖蕩，科研人員們還是不太放心。在出發(fā)前，他們又對它進行了一系列的技術升級、改造，全面提高了系統(tǒng)的可靠性。

在極地高緯度地區(qū)，科考母船會因為風、流等相互作用發(fā)生位移，致使水下機器人的布放和回收難以在一個相對固定區(qū)域內實現，冰層也會阻礙母船和水下機器人之間的通信。“這些都要求水下機器人擁有自主導引能力，能夠準確接收母船指令，并根據自身設備的狀態(tài)調整運行軌跡，在回收過程中逐漸向母船靠攏，從而實現自動、安全回收。”邵剛介紹。

針對此次北極科考工作區(qū)高密集度海冰覆蓋的特點，科研團隊創(chuàng)新性地研發(fā)了聲學遙控和自動導引相融合的冰下回收技術，確保“探索4500”連續(xù)下潛成功，并能安全回收。邵剛說：“我們還增加了應急信標，用于潛器上浮后卡在冰層下或肉眼無法確定位置時，進行較為準確的方向定位。”

此外，科研團隊還對“探索4500”的故障處理流程進行了優(yōu)化，讓它自主判斷自身當下的狀態(tài)，從而做出決策。“機器人在持續(xù)工作一段時間后，就能夠像我們人類一樣感覺自己身體狀態(tài)如何。”邵剛說，“如果覺得自己‘精神頭’還不錯，就會繼續(xù)干活；如果覺得不太好了，它就會立即向我們發(fā)出求救信號，我們馬上會去幫助它。”

經受考驗

極地天氣瞬息萬變，“探索4500”布放和回收都很安全

雖然已經做好了充分的準備，但極地天氣瞬息萬變，科考隊員們和“探索4500”在北極還是經歷了意想不到的困難和考驗。

在一次作業(yè)前，原定的下潛區(qū)域氣溫驟降，風雪交加，能見度非常差。“當時，我們母船距離這個工作區(qū)有十幾海里，在航行過程中我一直非常忐忑，擔心無法正常完成設備布放。”邵剛回憶。

當母船到達下潛區(qū)域時，天氣開始轉晴，但之前的降溫和暴風雪讓海面迅速結冰，水域范圍比之前縮小了很多，給機器人的布放和回收增添了極大的困難和風險。

機器人無處下“腳”，科考任務時間緊迫又不能耽誤，怎么辦？最后，邵剛和同事們決定利用母船進行破冰，人工開辟了一塊可以布放水下機器人的水域環(huán)境。邵剛說：“破冰開出的水域范圍非常小，其實不利于我們對水下機器人的回收。幸運的是，最終我們完成了布放與安全回收，也證明了‘探索4500’具備在極地惡劣環(huán)境下開展科考應用的能力。”

極地海洋的許多區(qū)域長年被海冰覆蓋，對海冰特征和冰下海域進行考察是極地考察的重要組成部分。沈陽自動化研究所副所長李碩介紹，極地科考一直是水下機器人發(fā)展的重點方向。近些年來，沈陽自動化研究所先后有4種類型6臺套無人水下機器人參加了8次極地科考，為我國極地科考作出了重要貢獻。

“自主水下機器人在極地科考中主要承擔三方面的任務。”李陽說，“一是對浮冰的觀察和探測，了解其厚度、狀態(tài)以及運動情況等；二是測量水體參數，包括水的深度、溫度、鹽度等；三是進行海底地形地貌的精細探測，在此基礎上也可以發(fā)現海底的一些礦產資源。”

傳統(tǒng)的海冰考察方法，是在海冰上鉆孔，這種方法效率比較低，而且獲得的數據有限，具有很大的局限性。自主水下機器人則不受海冰的影響，可以到達一些人無法到達的區(qū)域，更大范圍、更大深度以及更長時間地進行科學考察。而且，取樣靈活準確，有助于提高采集樣品的質量，增加樣品采集數量。

“科考人員可以通過水下機器人上安裝的攝像機、照相機以及成像聲吶等成像設備，直觀地觀察極地的水下世界。”李陽說。

李碩說：“本次將自主水下機器人應用于北極科考任務，讓我們更加了解科學家們對于智能機器人技術的需求。科研團隊將以此為起點，將技術創(chuàng)新與科學需求緊密銜接，不斷優(yōu)化和升級，為今后開展北極科考更大面積的探測作業(yè)提供更加智能的技術手段，助力科學家獲得更多有價值的數據和信息。”

“我們原來的自主水下機器人大多是屬于預編程式的，在下水之前科研人員已經提前給它預設好程序，告訴它目標和行走的路徑。”李陽表示，將來隨著智能化的發(fā)展，人為介入將越來越少，自主水下機器人會變得越來越聰明，發(fā)揮的作用越來越大。