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; [% r+ z. r4 h# e7 d/ J) R 刊载于《中国科学院院刊》2022年第7期“专题:海洋观测探测与安全保障技术”，原题《水下机器人应用及展望》 / K, D9 I& r- V3 Z& a- r6 o
8 e1 B8 T) ` G+ [) \$ [8 N' X$ q& [, z 李 硕1,2 吴园涛3 李 琛3 赵宏宇1* 李一平1,2
8 e( O2 `; R6 ^0 k; V" K 1 中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室
1 }( O2 c! `) M1 G 2 中国科学院大学 $ B+ ]& W- r( i+ m, t' M
3 中国科学院 重大科技任务局 1 x7 e$ m1 B7 i& C
水下机器人是人类探索海洋、认识海洋的先进技术手段之一，是我国建设海洋强国的重要装备支撑。文章介绍了国内外水下机器人的发展现状，重点阐述以中国科学院沈阳自动化研究所为代表研制的我国谱系化水下机器人在深海资源勘查和科学研究、深渊科考、南极和北极调查中的最新应用成果。结合当前水下机器人研究基础，展望未来水下机器人的发展和应用方向。通过研发适应极端海洋环境的深远海科考装备，实现从航次型科考模式向深海长期驻留型科考模式的技术跨越，实现从有人科考向无人化科考模式的革命性转变。
+ K' y5 |, N- p* a, t 党的十八大报告明确提出，提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。党的十九大报告要求加快建设海洋强国。探索和认识海洋需要包括水下机器人在内的多种海洋技术装备，“十二五”“十三五”期间，国家重点部署了 4500m 级和 11000m 级深海技术装备的研制；“十四五”规划进一步提出，要在深海、极地等前沿领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。深海探测、海洋资源开发利用等已成为新兴战略性领域，关注深海、聚焦深海资源的开发已上升为国家战略。 0 {& i { h9 \* d1 l
近年来，水下机器人（UUV）在海洋科学研究、海洋工程及战略高技术等领域得到了广泛应用。通常，水下机器人可分为自主水下机器人（AUV）和有缆遥控水下机器人（ROV）。AUV自带能源自主航行，可执行大范围探测任务，但作业时间、数据实时性、作业能力有限。ROV 依靠脐带电缆提供动力，水下作业时间长、数据实时，作业能力较强，但作业范围有限；近年来发展的混合式水下机器人—自主/遥控水下机器人（ARV）结合了 AUV 和 ROV 的优点，自带能源，通过光纤微缆实现数据实时传输，既可实现较大范围探测，又可实现水下定点精细观测及轻作业。ARV 是信息型 AUV 向作业型 AUV 发展过程中出现的新型水下机器人。此外，水下滑翔机（glider）作为一种新技术平台，适用于长时间、大范围海洋环境观测，近年来逐渐成熟。 ; h8 x. Z! V& \9 h3 C8 c/ B6 s
1 国外水下机器人发展现状
2 P3 j0 b0 X& B6 t+ `$ w 国外水下机器人研究已有近 70 年的历史。以美国为代表的西方发达国家，先后研发了 ROV、AUV、ARV，以及水下滑翔机等多种不同类型的水下机器人，成功用于深海资源调查、海洋科学考察、水下搜索救捞等领域。国外ROV 已产业化并被广泛使用，其发展更强调作业能力，以及提高其作业的自主性；AUV 依然是当前研究的热点并且正在经历产品化的过程，系列化的产品不断涌现；ARV 技术在极地和深渊科考中的应用，有效拓展了 AUV 的应用领域；水下滑翔机作为低成本大范围海洋观测设备，通过获取海量数据，改变了人类对海洋的认识。水下机器人技术的发展，离不开需求牵引的广泛应用，正是不断地应用，推动了水下机器人的技术进步。本文重点介绍我国水下机器人应用现状。 - m( z! s; l( Q. ~5 G
2 我国水下机器人应用现状 7 t3 l# A2 k- n' E3 v$ q p$ o
我国的水下机器人研究工作始于 20 世纪 70 年代末期。40 多年来，我国水下机器人技术得到了快速发展。进入 21 世纪，在科学技术部、中国科学院、中国大洋矿产资源研究开发协会（以下简称“中国大洋协会”）等部门和组织的支持下，以“潜龙/探索”系列AUV、“海星/海龙/海马”ROV、“海斗”系列ARV、“海翼/海燕”系列水下滑翔机等为代表的深海技术装备成功研制与应用，带动了深海技术的进展，极大地提高了我国深海科学研究与深海资源勘探水平。中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称“沈阳自动化研究所”）是我国最早开展水下机器人研究的单位，其研制的海洋技术装备在一定程度上反映了中国水下机器人的研究进展。下面，以沈阳自动化研究所为例，介绍我国水下机器人应用现状。
3 ]; I" v+ q: H z 积极推动我国水下机器人在深海领域的持续应用 + k, r. d; b% q& b% B7 {
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初步构建我国深海资源自主勘查的技术装备体系 ! r5 h6 k' K7 K4 y9 f/ @: ^; F
深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，是人类社会谋求未来生存与发展的重要战略新疆域。深海矿产资源被认为是 21 世纪最重要的陆地矿产接替资源。
4 y. ^- Y" d+ D3 R/ u1 g" } “十三五”期间，为满足现有国际海底矿区勘查和新矿区圈定的迫切需要，在国家重点研发计划、中国大洋协会、国际海域资源调查与开发等项目的支持下，沈阳自动化研究所联合国内多家机构，成功研制了深海资源自主勘查系统——“潜龙”系列深海 AUV，用于多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等多种深海资源的精细勘查， 先后参加了 10 余次大洋科考航次，在太平洋、大西洋、印度洋等海域开展航次应用，填补了我国深海资源自主勘查的空白。根据“潜龙”系列深海 AUV 获取的海底多元数据，科学家对深海矿产资源的分布和成矿机理有了重要发现，为矿区区域放弃和后续资源开发提供了精准数据和模型。 3 i. g' Q+ y: G* ~
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初步构建我国海洋科学研究的自主观测与作业技术体系
) c) Z7 _7 C" ? D' _$ {6 G) n 海洋学的创新源自海洋调查观测的结果，海洋科学的创新研究与海洋观测和探测技术密不可分。在国家“863”计划、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项的支持下，沈阳自动化研究所成功研制出多型水下机器人，初步构建了面向海洋科学研究的自主观测与作业技术体系实现多水下机器人集群组网探测，开启了我国海洋科考新模式。 ' y v& q$ l# J0 u: }1 d# Z
在国家重点研发计划的支持下，沈阳自动化研究所研制的“探索 100”模块化便携式 AUV，在突破无人潜水器协同控制组网观测等关键技术的基础上，实现了基于声通信的多 AUV 组网观测应用。2019—2020 年，由多台“探索 100”组成的水下机器人组网观测系统开展了多项海洋特征观测海上试验及示范应用。利用多台 AUV 对大亚湾冷水团入侵和岬角涡旋现象进行观测，首次获得了大亚湾海域高分辨率的冷水团入侵和岬角涡旋精细结构特征，为研究上升流冷水对大亚湾底层生态系统的影响提供依据。
9 \& e+ p6 c' y “探索 4500”是一套可在深海热液活动区和冷泉区开展精细观测的 4500 m 级 AUV。自 2017 年起，“探索 4500”多次参加海上应用，其在冷泉区水体观测和光学调查任务中，拍摄到具有“冷泉”特征的海底生物，为发现新的海底大型活动性“冷泉”，查明其分布范围、生物群落及流体活动等奠定坚实基础。
* U) o: e. L) P# {3 ?. H “海星6000”是我国首台自主研发面向科考应用的6000 m 级 ROV 装备，采用全电动推进，搭载有七功能机械手可进行近海底采样作业。 2018 年，“海星 6000”完成了生物调查、海底表层沉积聚成物获取、泥样和水样采集等任务，最大工作深度 6001 m，创造我国 ROV 最大潜深的纪录。
- h( ~3 S; O3 N; T- A( t9 K 2009 年，沈阳自动化所研制的“海翼 1000”水下滑翔机在国内率先突破海上航行距离 1000 km 。在国家重点研发计划的支持下，2021 年，“海翼 1000”单次连续航行距离再次创造我国水下机器人续航力新纪录。“海翼”水下滑翔机多次开展海洋科考航次集群应用。2017 年 7 月，首次开展多水下滑翔机协同观测任务，为开展深海海洋环境精细探测提供了系统解决方案。2019 年至2021年，多台“海翼”水下滑翔机分别完成西北太平洋中尺度涡旋综合观测、印度洋调查任务和西太平洋集群观测任务。“海翼”水下滑翔机的规模化应用，标志着我国水下滑翔机达到实用化应用水平。
2 ~7 T4 a/ f& m# V7 ]$ A" E |# n 全面引领我国水下机器人在深渊领域的创新应用
! H. R$ [2 O4 A) x- | a1 ` 近年来，深渊科学正成为国际地球科学尤其是海洋科学的最新前沿领域。在中国科学院战略性先导科技专项支持下，沈阳自动化研究所自主研制的全海深无人潜水器关键技术验证平台——“海斗”号，成为我国首台下潜深度超过万米的水下机器人。2016—2018 年，“海斗”号连续 3 年参加我国马里亚纳海沟深渊科考航次总计 11 次到达万米以下深度，最大下潜深度 10905 m，创造我国水下机器人最大下潜及作业深度记录，实现我国首次全海深高清视频直播。 ; k9 t. d# u7 V% _# x" I0 Z2 P* C. L
2020 年 5 月，在国家重点研发计划支持下，沈阳自动化研究所牵头研制的“海斗一号”ARV在马里亚纳海沟成功完成首次万米海试与试验性应用，最大下潜深度 10907 m，为我国开展深渊科考获取了首批重要数据和样品。 0 [) h% Q% u6 p8 c7 j0 O) F
2021 年 10 月，“海斗一号”再次开展马里亚纳海沟万米科考应用，总计完成 8 次万米深潜与作业，最大深度 10908 m，获取到典型深渊水文、生物、地质等数据或样品。在国际上首次实现了对“挑战者深渊”西部凹陷区的大范围全覆盖声学巡航探测。“海斗一号”的成功应用，表明了我国全海深无人潜水器正式跨入万米科考应用的新阶段，填补了当前国际上全海深无人潜水器万米科考应用的空白。 / { [, D6 K$ t# z7 Q' I
持续探索我国水下机器人在极地的科考应用 ) @, F3 X1 ?$ _- |$ u, M0 ~
南、北极对全球系统影响非常关键，其变化将直接影响到全球的气候和海洋环境的变化。水下机器人作为一种先进的运动平台，搭载有关的观测设备，可为极地海洋环境研究提供一种大范围、连续的观测手段，推动南、北极科学研究的不断发展。沈阳自动化研究所从 2003 年参加我国第二次北极科学考察以来，一直致力于推动水下机器人在极地科考中的探索应用，实现了从冰底精细观测、海洋环境大范围观测到近海底高精度探测的技术跨越。
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实现海冰底局部观测到海底大范围探测的技术跨越
; }4 F& [1 K: h# M5 T' E* j3 f" K 在国家“863”计划支持下，沈阳自动化研究所先后研制了两型北极自主/遥控水下机器人，分别于 2008 年、2010 年和 2014 年参加了我国北极科学考察，获取了北极海冰底部物理特征和海洋环境等重要参数，实现了海冰厚度的区域高精度测量。 ; R, f0 u6 b& h" b$ I+ l: u# U& v
2021年，在中国第12次北极科考中，升级改造后的“探索 4500”在北纬 85° 海域成功完成下潜探测，这是我国首次使用自主水下机器人完成北极高纬度海冰区近海底科考任务,其连续成功下潜为我国不断深化对北极洋中脊多圈层物质能量交换及地质过程的探索和认知提供了重要数据资料。 3 k5 s: q! G. ]) v; d' M/ S
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; {$ e1 r$ r# ~+ `* t5 M 实现我国水下机器人南极科考中首次示范应用
; M2 v% X4 S" {0 f+ e5 \; s 面向南大洋海洋环境调查任务，沈阳自动化研究所对“探索 1000”AUV 进行了适应性改造，于 2019 年和 2020 年先后两次参加中国南极科考，为考察队执行罗斯海多环境要素综合调查提供了重要技术支撑。 ( B/ W; M! U [/ k0 z
在第 35 次南极科考中，“探索 1000”以南极极区海洋观测应用为目的，获得南极南纬 75° 海域海洋要素数据。在第 36 次南极科考中，“探索 1000”水下连续工作 35 h，获得了海流、温度等大量水文探测数据，为我国水下机器人南极科学考察业务化运行奠定技术基础。
) P) f* g' O" ]5 K4 {$ H, j 近年来，在国家有关部门的大力支持下，我国水下机器人技术研发与科考应用能力有了长足的进步，多项技术装备填补了国内空白，部分技术达到国际先进水平。面向深海资源勘查、海洋科学研究等国家重大需求，构建了谱系化技术装备体系，引领了我国水下机器人装备发展。水下机器人应用的成功经验表明，坚持走深海技术国产化道路是我国的正确选择。我国具有全面自主掌握深海核心关键技术的能力和潜力。坚持“战略先导先行—重大研发任务攻关—示范应用”的路线，加强原创性、前瞻性、引领性科技攻关，把装备制造牢牢抓在自己手里，从而为海洋强国建设发挥更大作用。
! ^/ j2 w' q! S0 x1 I- S 3 水下机器人应用展望与建议 - q' p+ ?# \& z
面向未来更复杂、更极端的应用场景，需要提高单体水下机器人的智能化水平。通过开展新型能源材料、流体力学、控制导航等传统学科与新兴学科的跨学科交叉融合与技术创新，推动人工智能、大数据等信息技术与水下机器人技术的深度融合。研发新一代智能水下机器人，进一步完善水下机器人谱系化装备体系，实现水下机器人向智能水下机器人的技术跨越，已成为水下机器人未来的发展趋势。 6 e ^6 q, C4 a
面向我国深海技术装备的未来应用，从研发极端环境装备、长期驻留科考、无人化科考、科学问题认知等方面，提出 4 点发展建议。 - K( n- S5 v- }2 }8 f a
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研发适应极端海洋环境的深远海科考装备 ! m/ v) x; p; P" b Z) _$ L# U5 K
面向南极、北极、深渊海沟等“三极”极端海洋环境应用的需求，提高自主环境感知、复杂环境适应、智能决策与自主生存等技术。研发超长航时海洋中小尺度观测系统、穿越北极自主水下机器人、环南大洋跨年连续观测水下机器人、南极冰腔探测作业机器人等。通过水下机器人的技术进步，提高人类对海洋的认知水平，深刻理解海洋对全球气候变化的影响。
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; p* }" b& h+ j/ ` 实现从航次型科考模式向深海长期驻留型科考模式的转变
, s/ X H! Q6 v$ _1 p# \ 突破海洋装备驻留海底所需解决的长期防腐蚀、高速信息交互、高效能源补给、模块化换装、区域全场景监控及自主作业等关键技术。构建海底基站原位观测与智能水下机器人大范围观测探测相结合的近海底科考体系，实现我国深海海底开展长期驻留连续科考与作业，深刻理解全球气候变化对海洋海底环境的影响。 + s. r; b) W( g. |# r$ D1 p
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实现从有人科考向无人化科考模式的转变 0 l9 C1 N$ E+ R6 B1 Z6 n
构建高海况适应的少人化或无人智能船与水下机器人深入融合的综合科考体系。突破水下机器人高效布放回收、远程虚拟的水下科考作业操作、自动化实验室样品处理与分析等技术，提升海上无人装备应用水平，减少恶劣海况对科考作业的影响。
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" [, P) Z9 O* t0 u7 ^! t# p/ \ 不断提高海洋重大基础性科学问题认识水平
" r P4 ]6 t3 F6 g& s 依托智能船和海洋机器人观测探测技术，深化海洋生态环境极端动态过程认识，构建海洋生态环境“跨学科”四维立体长时续观测系统；突破全方位高效动态协同观测瓶颈，揭示生态环境耦合机理，助力实现“双碳”目标。
% |: O" c* w6 k( C" A8 [; _3 \ 经过多年的技术攻关和示范应用，中国构建了谱系化的水下机器人的装备体系，具备了开展不同类型水下机器人的正向设计能力。站在新的历史发展阶段，推动产业化进程，加快构建水下机器人工业化体系，加强行业应用，努力提升水下机器人对我国海洋经济的贡献度，为我国加快海洋强国建设作出更重要的科技贡献。 3 K0 c/ V+ T/ ~: J* t2 z% G) K
李 硕 中国科学院沈阳自动化研究所研究员，副所长，机器人学国家重点实验室副主任。主要研究领域：水下机器人技术与应用、模式识别与智能系统等研究工作。主持科学技术部、中国科学院等多项重大课题。 j1 `; d d4 N6 ]2 u! Q
赵宏宇 中国科学院沈阳自动化研究所研究员。主要研究领域：水下机器人技术与应用。 3 A4 ^$ ?, S: G
文章源自：李硕, 吴园涛, 李琛, 等. 水下机器人应用及展望. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 910-920. $ g) r. D. ? F' x0 Q; O( {
DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20220506001
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