游弋在海底的小精灵

高峰

历经1.4万海里、79天的风浪考验，于2021年7月12日出发的中国第十二次北极科考队圆满完成科考任务，随着“雪龙2”号科考船缓缓停靠在位于上海的中国极地考察国内基地码头，科考队成员连日来紧绷着的神经也逐渐放松。

在这次科考任务中，“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海底科考活动，“探索4500”成功下潜获取的宝贵数据资料，将为北极环境保护提供重要的科学支撑。

“探索4500”的外观酷似一条大黄鱼，和普通的無人水下机器人相比，“探索4500”的自主能力更强，没有遥控水下机器人那样与母船连接的缆线设备，不需要人工干预就能够实现自主航行和执行海底探测任务，且续航时间更长，工作范围也更广。

在极地高纬度地区，科考母船会在海风、洋流等自然因素的影响下发生位移，致使水下机器人的下潜和回收难以在一个相对固定的区域内实现，冰层也会阻碍科考母船和水下机器人之间的通信。这些困难就要求水下机器人拥有自主导引能力，能够准确接收科考母船的指令，根据自身设备的状态调整运行轨迹，并在回收过程中逐渐向科考母船靠拢，从而实现自动、安全回收。

针对此次北极科考的工作区有高密集度的海冰覆盖的特点，科研人员创造性地研发出了声学遥控和自动导引相结合的冰下回收技术，确保“探索4500”可以连续下潜成功，并能安全回收。

除此之外，科研人员还增加了应急信标，用于下潜器上浮后卡在冰层下或浮到肉眼无法确定的位置时，进行较为准确的定位。

此外，“探索4500”在持续工作一段时间后，就能够像我们人类一样感知自己的身体状态，从而做出正确的选择。

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。极地科考一直是水下机器人发展的重点方向。近些年来，先后有4种类型6台无人水下机器人参加了8次极地科考，为我国极地科考做出了重要贡献。 水下机器人在极地科考中主要承担三方面的任务：一是对浮冰的观察和探测，了解浮冰的厚度、状态、运动情况等;二是测量水体参数，了解水的深度、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，这种方法不仅效率较低，而且获得的数据有限，具有很大的局限性。水下机器人则不受海冰的影响，可以到达一些人类无法到达的区域，可以更大范围、更大深度、更长时间地进行科学考察。而且，水下机器人取样灵活准确，有助于提高采集样品的质量，增加采集样品的数量。

科考人员可以通过在水下机器人机身上安装的摄像机、照相机以及成像声呐等设备，直观地观察极地的水下世界。

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，目前主要是遥控式（有缆）水下机器人和自主式（无缆）水下机器人两种类型。 我国从20世纪80年代开始进行水下机器人的研发，但极地科考水下机器人在近10年才有了飞跃式发展，这期间我国研发出来的多种水下机器人，都成功应用在了极地科考事业上。

如今水下机器人在深度上已经实现了从水面到水下1.1万米全覆盖，航程上也实现了几海里到几千海里全覆盖。目前我国水下机器人在主要功能和性能指标方面，都已经达到了国际先进水平。

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复杂。除了极地，水下机器人目前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。这些区域的环境都极为复杂，对水下机器人的自主控制技术提出了更高的要求。