历经1.4万海里、79天的风浪考验，中国第十二次北极科学考察队圆满完成了任务。此次科考中，由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”）主持研制的“探索4500”自主水下机器人（以下简称“探索4500”）表现出色，成功完成北极高纬度海冰覆盖区的科学考察作业。这是我国首次利用自主水下机器人在北极高纬度地区开展近海底科考应用，其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，将为我国深度参与北极环境保护提供重要的科学支撑。

“大黄鱼”首闯北极

邵刚是沈阳自动化研究所的副研究员，他与3名同事一起参加了这次极地科考。和他一样，“探索4500”也是第一次出征极地。“探索4500”是中科院“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”战略性先导科技专项支持研发的深海装备，它外观酷似一条“大黄鱼”，与普通的无人水下机器人相比，“探索4500”的自主能力更强。为了参加此次北极科考，科研团队对“探索4500”进行了环境适应性、高纬度导航、海底探测、故障应急处理等技术升级与改造，并开展了湖海验证工作，全面提高了系统的可靠性。

在极地高纬度地区，科考母船会因为风、流等相互作用发生位移，致使水下机器人的布放和回收难以在一个相对固定区域内实现，冰层也会阻碍母船和水下机器人之间的通信。“针对此次北极科考工作区高密集度海冰覆盖的特点，科研团队创新性地研发了声学遥控和自动导引相融合的冰下回收技术，克服了海冰快速移动和回收海域面积狭小给水下机器人回收带来的挑战，确保水下机器人在密集海冰覆盖区的北极高纬度海域连续下潜成功，并全部安全回收。”邵刚说。

科研团队还对“探索4500”的故障处理流程进行了优化，让它自主判断自身当下的状态，从而做出决策。“机器人在持续工作一段时间后，就能够像我们人类一样感觉自己身体状态如何。”邵刚说，“如果觉得自己‘精神头’还不错，就会继续干活；如果觉得不太好了，它就会立即向我们发出求救信号，我们马上会去帮助它。”

沈阳自动化研究所副研究员李阳说：“相较于遥控水下机器人，‘探索4500’没有缆线与母船连接，不需要人工干预就能够实现自主航行和执行探测，续航时间更长，工作范围也更大。”

冰下回收新技术日臻成熟

本次北极科考，虽然正值北极夏季的窗口期，但科考的高纬度区域常年结冰，而且极地天气瞬息万变，科考队员们和“探索4500”在北极还是经历了意想不到的困难和考验。

在一次作业前，原定的下潜区域气温骤降，风雪交加，能见度非常差。“当时，我们母船距离这个工作区有十几海里，在航行过程中我一直非常忐忑，担心无法正常完成设备布放。”邵刚回忆。

当母船到达下潜区域时，天气开始转晴，但之前的降温和暴风雪让海面迅速结冰，水域范围比之前缩小了很多，给机器人的布放和回收增添了极大的困难和风险。

机器人无处下“脚”，科考任务时间紧迫又不能耽误，怎么办？最后，邵刚和同事们决定利用母船进行破冰，人工开辟了一块可以布放水下机器人的水域环境。邵刚说：“破冰开出的水域范围非常小，其实不利于我们对水下机器人的回收。幸运的是，最终我们完成了布放与安全回收，也证明了‘探索4500’具备在极地恶劣环境下开展科考应用的能力。”

“自主水下机器人在极地科考中主要承担三方面的任务。”李阳说，“一是对浮冰的观察和探测，了解其厚度、状态以及运动情况等；二是测量水体参数，包括水的深度、温度、盐度等；三是进行海底地形地貌的精细探测，在此基础上也可以发现海底的一些矿产资源。”

传统的海冰考察方法，是在海冰上钻孔，这种方法效率比较低，而且获得的数据有限，具有很大的局限性。自主水下机器人则不受海冰的影响，可以到达一些人无法到达的区域，更大范围、更大深度以及更长时间地进行科学考察。而且，取样灵活准确，有助于提高采集样品的质量，增加样品采集数量。

“科考人员可以通过水下机器人上安装的摄像机、照相机以及成像声呐等成像设备，直观地观察极地的水下世界。”李阳说。

李硕说：“‘探索4500’的成功应用，充分验证了其在北极冰区低温环境下，良好的适应能力、高纬度高精度导航能力、密集冰区故障应急处理能力和洋中脊近海底精细探测能力，开创了我国自主水下机器人在北极科考应用的先例，也极大推进了水下机器人的创新发展。”

提高自主装备的科考能力

极地海洋的许多区域长年被海冰覆盖，对海冰特征和冰下海域进行考察是极地考察的重要组成部分。李硕表示，极地科考一直是水下机器人发展的重点方向。近些年来，沈阳自动化研究所先后有4种类型6台套无人水下机器人参加了8次极地科考，为我国极地科考作出了重要贡献。

李阳介绍，早在20世纪70年代，一些国家就开始研发用于极地考察的无人水下机器人，目前已有多种类型，主要包括遥控式（有缆）和自主式（无缆）两种。

我国从20世纪80年代开始进行水下机器人的研发，当时沈阳自动化研究所是主要的研发单位之一。“但极地科考水下机器人的飞跃发展主要是在近10多年，这期间我们先后研发出‘海极号ROV’‘北极ARV’和‘探索AUV’等水下机器人，参加了多次极地科考，都实现了成功应用。”

近年来，面向国家重大需求，沈阳自动化研究所一直致力于推动水下机器人的谱系化发展，如今从深度上已经实现了从水面到水下1.1万米全覆盖，航程上也实现了几公里到几千公里全覆盖。“我们团队主要还是侧重于无人水下机器人的研发与应用，目前我国无人水下机器人在主要功能和性能指标方面，都已经达到国际先进水平。”李阳说。

随着水下机器人谱系化发展，其应用领域也越来越广泛，面临的作业环境也越来越极端和复杂。李阳说，除了极地外，目前他们还在青藏高原的高原湖、太平洋的马里亚纳海沟持续开展科学考察。“这些都是非常极端和复杂的环境，对无人水下机器人的自主控制技术提出了很高的要求。我们需要在有限的空间搭载更多的传感器，这对总体的布局和电池的兼容性都提出了重大挑战。”

未来，世界自主水下机器人的发展将朝着更智能化的方向发展，具备更强的环境适应性和更强的协同作业能力。

“我们原来的自主水下机器人大多是属于预编程式的，在下水之前科研人员已经提前给它预设好程序，告诉它目标和行走的路径。”李阳表示，将来随着智能化的发展，人为介入将越来越少，自主水下机器人会变得越来越聪明，发挥的作用越来越大。

“展望‘十四五’，沈阳自动化研究所将以此次北极科考为契机，继续面向国家在极地领域的重大战略需求，加大南北极海洋装备的研发力度，提高我国极地自主探测装备的科考能力，提升我国在极地事务中的话语权，积极推动我国由极地考察大国向极地科学强国的目标迈进。”沈阳自动化研究所所长于海斌说。

（综合人民日报、沈阳日报、沈阳发布等媒体报道）