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水下機器人:探索海洋非它不可

“地球表面70%都是海洋,但海洋環境非常惡劣,人類的認知手段極其有限。比如‘向海洋要資源’,其實我們的能源開采主要在300米深度以上。想要往下潛,手段嚴重不足。”9月3日舉辦的人工智能與水下機器人高峰論壇上,中國科學院沈陽自動化研究所所長于海斌表示。

水下機器人是探索海洋的重要裝備,在海洋觀測、勘探、水下極端環境作業中潛能巨大。尤其是深海打撈、海溝科學研究樣品取樣等工作,非它不可。據于海斌介紹,上世紀60年代開始,載人潛水器、有纜遙控水下機器人、自主水下機器人研究相繼開始,目前已經進入智能水下機器人時代。

造機器人,天上飛的地上跑的已經很不容易,水里游的更難。

相對于陸域和空域,海底環境復雜得多,對機器人導航、避障、識別探測、追蹤、編隊運行等能力的要求更高。“每次做實驗我真的睡不著覺,水下機器人試驗動輒幾十個小時,在船上等得心驚膽戰,不知道機器是否安全,還能不能回得來。”于海斌的心情,側面反映出水下機器人智能控制之難。

據北京航空航天大學機器人研究所名譽所長王田苗介紹,傳統的水下機器人的導航方式主要是航位推算、慣性導航以及多普勒聲吶導航。但這些方式在長距離航行后會出現較大的累積誤差。目前大多數水下機器人采用的組合式導航有效提高了精度,但誤差仍然存在,“機器游丟了”的情況時有發生,如何找到新的導航方式是研究重點。機器人入了水,需要與其他設備進行信息通訊,水聲通訊是目前仰仗的主要水下通訊手段,世界各國正在開發的水下激光通訊距離應用還有相當距離。

中國工程院院士高文表示,希望智能系統處理速度更快、精度更高、結論更肯定、能源消耗更有效。能耗直接關系到水下機器人的續航能力,“人每天的能耗相當于20瓦燈泡,吃一點兒東西就可以聽說讀寫運動,和人差不多的識別系統需要幾萬倍的能耗,相當于一臺超級計算機,設計原始粗放。”

此外,目前水下機器人攜帶的多是重型液壓剛性機械臂和抓持器,在水下生物采樣、考古檢測、珍貴品打撈等方面有極大缺陷。現場,王田苗展示了仿章魚觸手的軟體機械手,“智能材料、仿生結構的應用是機器人安全、靈巧、與環境和對象適配的突破點。”王田苗說。從自然界水下生物中獲得的靈感,正在幫助研究者挖掘水下自主作業機器人的新型結構,實現機械手精細化作業、基于觸覺與力反饋的柔性抓取。

現場展示的仿生魚、仿生海豚,仿生章魚觸手,和一般印象中的機器人不大一樣,但中國科學院自動化研究所譚民研究員強調“雖然還很初級,但不是做著玩兒”。據他介紹,他們以虎鯨為仿生對象,研制了一種面向水質監測的仿生機器海豚,能夠攜帶不同水質傳感器實現水質監測任務,找到水下機器人一個基本的民口應用。“我們先后在青海裸鯉研究中心和玉樹禪古水庫成功在線采集了水庫PH值、電導率、溫度、深度等重要水質參數,基于仿生機器海豚的動態水質監測實驗的成功進行,為三江源水源保護提供數據基礎,也為動態自主水質監測提供了新的技術手段。”譚民表示,以后在海洋石油平臺腐蝕程度檢測、大壩水底污染監測等方面都有類似應用可能。

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