自動(dòng)潛水器

沈曉夫

自動(dòng)潛水器(AUV)專門用于執(zhí)行那些對(duì)載人船艇而言非常危險(xiǎn)或者遠(yuǎn)程遙控工具需要很長時(shí)間才能完成的任務(wù)，它們也能夠進(jìn)入依靠其它工具無法到達(dá)的海域。今年，名為“深海自控探索者”(ABE)的機(jī)器人潛水器幫助研究人員成功地揭開了Calapagos峽谷附近的“玫瑰園之謎”。這一事件可以看作是自動(dòng)潛水器開始執(zhí)行科學(xué)使命的標(biāo)志之一。

在過去三年里，研究人員借助自動(dòng)潛水器對(duì)美國海岸海藻的過渡生長、北海鯡魚的行蹤以及新的重要油氣蘊(yùn)藏區(qū)相繼進(jìn)行了研究和勘探。在未來的幾個(gè)月里，在寒冷的南極冰架下，在墨西哥灣有毒的紅潮中，在加利福尼亞海岸冷而營養(yǎng)豐富的海水里仍會(huì)出現(xiàn)它們探索的身影。如果以上開拓性的項(xiàng)目獲得成功，那么這些可以進(jìn)行長達(dá)數(shù)月的遠(yuǎn)航，也可以潛伏不動(dòng)對(duì)海底世界進(jìn)行悉心研究的機(jī)器人探測(cè)器，將會(huì)遍布未來的海洋世界。

海洋科學(xué)家喜歡將他們對(duì)浩瀚海洋的研究與蒼穹探奇作比。在他們看來，自動(dòng)潛水器就像是無人駕駛航天器，它們裝載著大量的科學(xué)儀器，長途跋涉到極端惡劣的環(huán)境中實(shí)施科學(xué)考察。不過，此前自動(dòng)潛水器曾長期被認(rèn)為是不可靠和不穩(wěn)定的。1994年，在“深海自控探索者”的處女航中，由于投棄壓艙物的裝置發(fā)生了故障，它被困在海底無法上升。最后，依靠載人潛水艇它才幸免于難。2000年，英國南安普敦海洋研究中心開發(fā)的一艘自動(dòng)潛水器Autosub也經(jīng)歷了類似的險(xiǎn)情：當(dāng)它被卡在海底的懸崖下時(shí)，由于沒有倒車裝置，無法按照程序設(shè)計(jì)的那樣上浮到水面。

近幾年，隨著能夠協(xié)調(diào)不同計(jì)算機(jī)控制海洋機(jī)器人各部件的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開發(fā)，以及更為復(fù)雜的導(dǎo)航工具的發(fā)展和潛水器操控人員經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，自動(dòng)潛水器開始在實(shí)際應(yīng)用中展示自身的價(jià)值。

除專門用于探測(cè)深水海域的“深海自控探索者”外，其它用于探測(cè)距離洋面更近水域的自動(dòng)潛水器也紛紛問世。魚雷狀的Autosub便是其中之一。在過去的幾年里，它已經(jīng)在海洋勘測(cè)中發(fā)揮了重要作用：它不僅發(fā)現(xiàn)了對(duì)魚群進(jìn)行聲納勘測(cè)的艦船引擎所發(fā)出的噪聲不會(huì)嚇走鮮魚的現(xiàn)象，而且還對(duì)南極冰面下磷蝦的棲居地進(jìn)行了勘測(cè)。

近日，Autosub將開始執(zhí)行迄今為止所面臨的最富挑戰(zhàn)性的使命。在英國南極勘查小組吉?jiǎng)P恩斯的領(lǐng)導(dǎo)下，研究人員將7米長的Autosub送入南極洲冰架下，它將穿過松樹島冰川冰架下的阿蒙森海，為英國自然環(huán)境資源委員會(huì)提出的4個(gè)項(xiàng)目收集必要的科學(xué)數(shù)據(jù)。開展這些項(xiàng)目的目的是，了解冰河和海洋之間的相互作用，揭示全球變暖對(duì)南極冰原的影響。

松樹島冰川是南極冰原上移動(dòng)速度最快的冰川之一，方圓2100平方公里。據(jù)統(tǒng)計(jì)，它每年將69立方公里的冰送人阿蒙森海。2000年，松樹島冰川上出現(xiàn)一條巨大的裂縫，到2001年11月，相當(dāng)于紐約城大小(大約714平方公里)的冰山突然崩脫。由于此前對(duì)南極冰川活動(dòng)情況的研究只能依據(jù)衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)，鑒于此處極端的環(huán)境和地形變化，即使使用帶纜機(jī)器人在冰川表面收集數(shù)據(jù)也是非常危險(xiǎn)的。而經(jīng)過特殊編程的Autosub在此卻可以大顯身手。在此次探測(cè)中，Autosub將穿過松樹島冰川和阿蒙森海海床之間長達(dá)幾百公里的通道，對(duì)此處海域的溫度、鹽度、洋流及海底和冰川底部的形貌進(jìn)行探測(cè)，并將從冰底抽取水樣進(jìn)行分析。研究人員認(rèn)為，Autosub安全返航的可能性只有75％，這對(duì)于耗資超過100萬美元研制成功的自動(dòng)潛水器來說，無疑風(fēng)險(xiǎn)巨大。目前，研究人員已經(jīng)制造出第二臺(tái)Autosub，在緊急情況下備用，而且在未來的兩年內(nèi)，研究人員還將研制更多的Autosub。

如果松樹島使命取得成功，明年Autosub將會(huì)在Ronne冰架(面積與法國領(lǐng)土差不多，漂浮在威德爾海上)下進(jìn)行一次更為艱巨的旅行。Autosub上裝有尖端回轉(zhuǎn)式羅盤，而且在遇到危險(xiǎn)時(shí)，它還會(huì)發(fā)出緊急聲訊求助。但是，如果冰架發(fā)生坍塌，Autosub則很難幸免。

目前，其他研究小組還在使用水下滑翔機(jī)來研究墨西哥灣海藻肆虐引發(fā)的有毒紅潮。這種滑翔機(jī)大約2米長，其運(yùn)動(dòng)與空降滑翔機(jī)原理相同。它們的“翅膀”使其在沉入水中時(shí)能夠覆蓋很長的距離，而且，方向舵能使它們按照航線行駛。一旦到達(dá)預(yù)定軌道的底部，滑翔機(jī)就會(huì)利用電池動(dòng)力泵來改變自身的浮力，徑直浮到水面。在水面上，它們利用全球定位系統(tǒng)來確定自身的方位，相應(yīng)地調(diào)整方向舵，再次下潛。由于它們不依賴于耗電的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以它們一次就可以在考察區(qū)穿梭長達(dá)數(shù)日甚至幾個(gè)星期。未來的水下滑翔機(jī)還將模仿群居昆蟲的行為模式，具有協(xié)同工作的智能，它們可以沿水面運(yùn)動(dòng)，通過無線電向控制中心發(fā)送位置報(bào)告，根據(jù)其它滑翔機(jī)的位置和行為作出進(jìn)一步行動(dòng)的判斷。

未來的自動(dòng)潛水器還將在石油勘探和軍事中找到用武之地。日益上漲的石油價(jià)格和日漸耗盡的淺海石油資源都促使石油公司加緊進(jìn)行更深水域的勘探工作，而在這一方面，自動(dòng)潛水器有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，這一技術(shù)已經(jīng)得到美國海軍的資助，因?yàn)樽詣?dòng)潛水器可以作為探雷器，在進(jìn)行水上攻擊之前勘查近海地區(qū)。

此外，自動(dòng)潛水器的熱衷者們正致力于具體的技術(shù)改進(jìn)，為自動(dòng)潛水器配備完成特定科學(xué)使命所需要的成套傳感器。這樣的改進(jìn)將會(huì)提高對(duì)科學(xué)研究的價(jià)值。

研究人員設(shè)想，未來的自動(dòng)潛水器可以全天候駐留在海洋中進(jìn)行科學(xué)勘測(cè)，只有在充電和下載資料時(shí)才需要中斷工作。新型水下滑翔機(jī)還可以利用海洋溫度突變層的溫差自行發(fā)電，這使它們能夠在海底連續(xù)呆上幾個(gè)月。而且，工程師們現(xiàn)在也已經(jīng)為它們開發(fā)出了海底停泊港。

如果技術(shù)的發(fā)展能夠如人們所愿，自動(dòng)潛水器就會(huì)成為通過電力和通信電纜與海岸相連的永久的海底觀測(cè)臺(tái)，這樣的情形已經(jīng)在新澤西海岸和蒙特雷海灣出現(xiàn)。未來的技術(shù)將會(huì)使海洋學(xué)家們通過互聯(lián)網(wǎng)與自動(dòng)潛水器交流。如此一來，呆在實(shí)驗(yàn)室里探索海洋世界就會(huì)成為可能。