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馬里亞納海溝（Mariana Trench，Marianas Trench）位于菲律賓東北、馬里亞納群島附近的太平洋底部。海溝的“挑戰(zhàn)者深淵”部分約有11000米深，是目前已知的世界海洋最深處。就算把世界上最高的山峰珠穆朗瑪峰扔進“挑戰(zhàn)者深淵”，都會被全部淹沒。

深海環(huán)境非常惡劣，黑暗、水壓高、溫度低等條件給科研工作帶來了很大困難。但是，就在幾天前，中國的科學家們在這一科學領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的突破。

在10月份剛剛結(jié)束的馬里亞納海溝深淵科學考察中，中國科學院沈陽自動化研究所主持研制的“海斗一號”全海深自主遙控潛水器，在國際上首次實現(xiàn)了對“挑戰(zhàn)者深淵”西部凹陷區(qū)的大范圍全覆蓋聲學巡航探測。

海斗一號

（圖片來源：中國科學院沈陽自動化研究所）

海斗一號”是什么？

深海潛水器是研究海斗深淵（Hadal Trench，水深范圍從6000米到11000米左右的海域）不可或缺的裝備。

深海潛水器主要分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV）。無人潛水器也叫“水下機器人”，主要有三類：遙控潛水器（ROV），自主潛水器（AUV），最后一類是混合式潛水器。

無人潛水器分類圖

（作者自制）

咱們的“海斗一號”，就是一種先進的混合式潛水器。

作為一個全海深自主遙控潛水器（ARV），“海斗一號”既可以作為自主潛水器（AUV）使用，進行較大范圍的水下調(diào)查；也可以作為遙控潛水器（ROV）使用，進行局部區(qū)域的精確調(diào)查和水下輕作業(yè)。

海斗一號布放圖

（圖片來源：中國科學院沈陽自動化研究所）

遙控潛水器(ROV)身后拖著一條長長的尾巴，這是一根長電纜，既是電源線又是連接線，能源和信號都通過這根電纜傳送。操作者通過這根電纜對潛水器進行遙控操作。

日本“海溝號”遙控式潛水器

（來源：參考文獻2 徐偉哲.全海深潛水器的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展綜述）

自主潛水器AUV沒有“尾巴”，它的電池直接安裝在潛水器體內(nèi)，其任務(wù)執(zhí)行過程是由計算機控制的，潛水器按照程序自主地完成任務(wù)。

我國首臺自主潛水器“探索者”號

（來源：參考文獻5 李一平.自主/遙控水下機器人研究與應用）

海斗一號是全海深自主遙控潛水器（ARV），它兼有遙控潛水器和自主潛水器二者的優(yōu)點。

與自主潛水器（AUV）相比，海斗一號不僅實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)交互，還可以完成水下輕作業(yè)，提升機器人的作業(yè)能力。與遙控潛水器（ROV）相比，海斗一號可攜帶長距離光纖微纜，不僅擴大了水下作業(yè)范圍，降低了對支持母船的要求，也減少了水面支持系統(tǒng)的體積和重量。

潛水器的發(fā)展歷程

對人類而言，海洋是神秘未知的領(lǐng)域，世界各國對它的探索從未停止過。潛水器發(fā)展的歷史有60余年，經(jīng)歷了從載人到無人，從遙控到自主的主要階段。

加拿大國際潛水器工程公司（ISE）總裁麥克·法蘭將水下機器人的發(fā)展歷史分為四個階段，并將前三個階段稱為三次革命：

第一次革命在20世紀60年代，以載人潛水器為標志；

第二次革命為70年代，以遙控潛水器ROV的迅速發(fā)展成為一個成熟的產(chǎn)業(yè)為特征；

第三次革命在20世紀90年代，以自主潛水器AUV的發(fā)展和走向成熟為標志。現(xiàn)在則是混合型水下機器人的時代。

主要深海自主無人潛水器發(fā)展歷程

（來源:參考文獻3 曹俊.深海潛水器裝備體系現(xiàn)狀及發(fā)展分析）

1957年，美國華盛頓大學應用物理實驗室開發(fā)了第一臺自主無人潛水器，但由于技術(shù)原因，自主無人潛水器在60～90年代進展緩慢。

90年代，人工智能和致密能源等高新技術(shù)更新，推動深海自主無人潛水器進入快速發(fā)展時期。美國、英國、日本、加拿大、俄羅斯、法國等海洋強國不斷加快研究，自主無人潛水器的探測深度從百米級發(fā)展到千米級再到萬米級。除了軍用潛水器外，商業(yè)化深海自主無人潛水器不斷涌現(xiàn)。

主要深海遙控潛水器發(fā)展歷程

（來源:參考文獻3?曹俊.深海潛水器裝備體系現(xiàn)狀及發(fā)展分析）

遠程遙控潛水器是最早得到開發(fā)和應用的潛水器種類。

1953年，美國設(shè)計了最早的一款遠程遙控潛水器；1961年，美國軍方研制成610米級的潛水器，屬于第一艘具有實質(zhì)性突破的遠程遙控潛水器系統(tǒng)，因1966年在西班牙外海打撈起一枚墜海氫彈而轟動世界。

20世紀70～80年代，遠程遙控潛水器開始被投入商業(yè)應用，其技術(shù)日臻成熟。在海洋研究、近海油氣開發(fā)、礦物資源調(diào)查取樣、水下打撈以及探雷、獵雷、滅雷等方面都獲得了廣泛的應用。

1995年，日本一公司研制成功世界上第一臺全海深遠程遙控潛水器KAIKO11000。

在深海遠程遙控潛水器裝備和技術(shù)領(lǐng)域，美國、加拿大、英國、法國、德國和日本等國家處于領(lǐng)先地位，均有6000米級深海遠程遙控潛水器用于海洋科學研究；而在商用遠程遙控潛水器方面，美國和歐洲國家占據(jù)了絕大部分市場。

混合式水下機器人是近十幾年來發(fā)展起來新型潛水器，由于結(jié)合了遙控潛水器和自主潛水器的優(yōu)勢，其潛在的應用前景更加廣泛。

國外最具代表性的混合式水下機器人是美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研制的“海神”號（Nereus HROV）。其最大工作水深為11000米，主要用于地球、生命等科學探索。

2009年5月31日，“海神”號成功下潛至馬里亞納海溝10902米水深處，是史上第一個抵達深海最深處的自動工具。然而，2014年5月10日，“海神”號在新西蘭東北的克馬德克海溝9990米深度處丟失。

“海神”號潛水器

（來源：參考文獻2 徐偉哲.全海深潛水器的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展綜述）

“海斗一號”到底有多厲害？

中國的潛水器研究起步較晚。1983年我國研制的第一臺200米級遠程遙控潛水器原理樣機“海人一號”，實現(xiàn)了零的突破。20世紀90年代，我國研制成功600米級遠程遙控潛水器和第一臺1000米級探索者自主無人潛水器。

最近十年，我國深海潛水器技術(shù)取得長足進步，先后研制成功“海星”系列、“海龍”系列、“潛龍”系列和“探索”系列等深海潛水器。

目前國內(nèi)多家機構(gòu)致力于研究先進的自主/遙控深海潛水器，包括中科院沈陽自動化所、中國船舶科學研究中心和上海交通大學等單位。

在過去的十年中，我國深海潛水器多次在深淵、極地開展試驗應用，在人類難以到達的區(qū)域進行調(diào)查及作業(yè)，幫助科學家探索海洋深處地球生命的起源、北極海冰變化及其影響等重大科學問題。

“海斗一號”的前身“海斗”號ARV是針對深淵科考需求研制的全海深（11000米）ARV關(guān)鍵技術(shù)驗證平臺。2016年～2018年的3年中，“海斗”號ARV三次赴馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵執(zhí)行航次科考應用任務(wù)，共計完成11次萬米下潛。

在2018年深淵航次中，“海斗”號成功實現(xiàn)了萬米海底著底，在深淵海底累計工作近6小時，對挑戰(zhàn)者深淵局部區(qū)域地形與深度進行了精確測量。

在“海斗”號研制和應用的基礎(chǔ)上，我國成功研制首臺作業(yè)型全海深自主遙控水下機器人“海斗一號”。

2020年5月，“海斗一號”在馬里亞納海溝完成首次萬米海試與試驗性應用，其攜帶的機械手完成了觸發(fā)采水、沉積物取樣、布放標志物等作業(yè)，實現(xiàn)了ARV全海深探測與作業(yè)。

在剛剛結(jié)束的2021年10月應用中，“海斗一號”在馬里亞納海溝超10800米深度的深淵海區(qū)，成功實現(xiàn)多次萬米下潛及科考應用，取得了全海深無人潛水器連續(xù)、穩(wěn)定、可靠科考應用的重大突破。

在AUV模式下，“海斗一號”打破了多項無人潛水器的世界紀錄，包括：最大下潛深度達到了10908米；海底連續(xù)作業(yè)時間超過8小時；近海底航行距離超過了14公里；首次實現(xiàn)了AUV潛水器萬米坐底并連續(xù)拍攝高清視頻影像。

海斗一號采集沉積樣品

（圖片來源：中國科學院沈陽自動化研究所）

在ARV模式下，“海斗一號”在萬米海底連續(xù)工作超過10小時，達到了國際先進水平，創(chuàng)造了我國潛水器萬米海底最長工作時間的紀錄，并實現(xiàn)了萬米海底定點實時高清精細觀測。

海斗一號高清拍攝海洋生物

（圖片來源：中國科學院沈陽自動化研究所）

“海斗一號”的成功應用，表明我國全海深無人潛水器正式跨入萬米科考應用的新階段，填補了國際空白，未來，我們拭目以待！

參考文獻：

[1] 李一平,李碩,張艾群.自主/遙控水下機器人研究現(xiàn)狀[J].工程研究-跨學科視野中的工程,2016,8(02):217-222.

[2] 徐偉哲,張慶勇.全海深潛水器的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展綜述[J].中國造船,2016,57(02):206-221.

[3] 曹俊,胡震,劉濤,蘇曉云,馬利斌,侯德永.深海潛水器裝備體系現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J].中國造船,2020,61(01):204-218.

[4] 崔維成,姜哲,王芳,李維,宋長會,宋婷婷,沙金余.2020年深海潛水器熱點回眸[J].科技導報,2021,39(01):126-136.

[5] 李一平.自主/遙控水下機器人研究與應用[J].現(xiàn)代物理知識,2021,33(01):19-23.

來源：科學大院

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