游弋在海底的小精靈

高峰

歷經1.4萬海里、79天的風浪考驗，于2021年7月12日出發的中國第十二次北極科考隊圓滿完成科考任務，隨著“雪龍2”號科考船緩緩停靠在位于上海的中國極地考察國內基地碼頭，科考隊成員連日來緊繃著的神經也逐漸放松。

在這次科考任務中，“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的科學考察作業。這是我國首次利用自主水下機器人在北極高緯度地區開展海底科考活動，“探索4500”成功下潛獲取的寶貴數據資料，將為北極環境保護提供重要的科學支撐。

“探索4500”的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，沒有遙控水下機器人那樣與母船連接的纜線設備，不需要人工干預就能夠實現自主航行和執行海底探測任務，且續航時間更長，工作范圍也更廣。

在極地高緯度地區，科考母船會在海風、洋流等自然因素的影響下發生位移，致使水下機器人的下潛和回收難以在一個相對固定的區域內實現，冰層也會阻礙科考母船和水下機器人之間的通信。這些困難就要求水下機器人擁有自主導引能力，能夠準確接收科考母船的指令，根據自身設備的狀態調整運行軌跡，并在回收過程中逐漸向科考母船靠攏，從而實現自動、安全回收。

針對此次北極科考的工作區有高密集度的海冰覆蓋的特點，科研人員創造性地研發出了聲學遙控和自動導引相結合的冰下回收技術，確保“探索4500”可以連續下潛成功，并能安全回收。

除此之外，科研人員還增加了應急信標，用于下潛器上浮后卡在冰層下或浮到肉眼無法確定的位置時，進行較為準確的定位。

此外，“探索4500”在持續工作一段時間后，就能夠像我們人類一樣感知自己的身體狀態，從而做出正確的選擇。

極地海洋的許多區域長年被海冰覆蓋，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。極地科考一直是水下機器人發展的重點方向。近些年來，先后有4種類型6臺無人水下機器人參加了8次極地科考，為我國極地科考做出了重要貢獻。 水下機器人在極地科考中主要承擔三方面的任務：一是對浮冰的觀察和探測，了解浮冰的厚度、狀態、運動情況等;二是測量水體參數，了解水的深度、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現海底的一些礦產資源。

傳統的海冰考察方法，是在海冰上鉆孔，這種方法不僅效率較低，而且獲得的數據有限，具有很大的局限性。水下機器人則不受海冰的影響，可以到達一些人類無法到達的區域，可以更大范圍、更大深度、更長時間地進行科學考察。而且，水下機器人取樣靈活準確，有助于提高采集樣品的質量，增加采集樣品的數量。

科考人員可以通過在水下機器人機身上安裝的攝像機、照相機以及成像聲吶等設備，直觀地觀察極地的水下世界。

早在20世紀70年代，一些國家就開始研發用于極地考察的無人水下機器人，目前主要是遙控式（有纜）水下機器人和自主式（無纜）水下機器人兩種類型。 我國從20世紀80年代開始進行水下機器人的研發，但極地科考水下機器人在近10年才有了飛躍式發展，這期間我國研發出來的多種水下機器人，都成功應用在了極地科考事業上。

如今水下機器人在深度上已經實現了從水面到水下1.1萬米全覆蓋，航程上也實現了幾海里到幾千海里全覆蓋。目前我國水下機器人在主要功能和性能指標方面，都已經達到了國際先進水平。

隨著水下機器人譜系化發展，其應用領域也越來越廣泛，面臨的作業環境也越來越復雜。除了極地，水下機器人目前還在青藏高原的高原湖、太平洋的馬里亞納海溝持續開展科學考察。這些區域的環境都極為復雜，對水下機器人的自主控制技術提出了更高的要求。