利用自主水下航行器探索深海
从虚拟现实到 ChatGPT 的快速技术进步带来了许多新的创新和前景，研究人员和从业人员对此进行了广泛讨论。然而，有一个领域仍然很大程度上未被探索，并且包含许多秘密——海洋世界。海洋覆盖了地球表面 70% 以上的面积，并支持着地球上约 90% 的生命形式。深海被认为蕴含着我们生命的秘密起源，由于我们缺乏自己的能力、新方法和工具，我们对海洋仍然知之甚少。海洋机器人技术是使我们能够承担探索水下世界这一艰巨任务的使能技术之一，但我们对这项技术的历史和当前进展了解多少？

水下航行器历史一瞥

水下机器人的历史始于冷战时期。在冷战期间，一架 B-52G 轰炸机携带四枚热核炸弹从北卡罗来纳州飞越大西洋，前往苏联的 美国电话号码列表 欧洲边境，需要在西班牙上空进行空中加油。1966 年 1 月 17 日，两架飞机在 KC-135 加油机后面加油时相撞，爆炸声在 1.6 公里外可见。四枚热核炸弹全部沉入海中。为了打捞这些炸弹，一支由 150 名合格潜水员组成的团队和缆控水下机器人被派往现场，这是最早将遥控水下机器人用于深海作业的案例之一。如今，水下机器人有多种类型，包括遥控和自主式。

遥控水下机器人通常通过一系列电缆连接到船舶，需要远程导航，但它们易于部署，维护成本极低。另一方面，自主水下机器人独立于任何船舶，能够自行完成任务，然后返回原始位置传输收集到的信息。尽管部署这些水下机器人需要更多的维护和资源，但它们比以往任何时候都更先进、更强大，能够执行曾经被认为不可能完成的任务。

从缆绳控制到自主水下航行器

目前使用的自主水下航行器的一个示例是 Argo。这是一个由近 4,000 个自潜机器人组成的国际阵列。这些机器人随洋流漂移，收集数据，例如水面和中层水位之间不同深度的温度和盐度。每个浮筒几乎一生都在水面以下，通过一根 2024 年的网络代理机构：提升数字战略的重要资产 细长的黑色天线将其观测结果传输到地球观测卫星 Jason。Argo 使科学家能够了解海洋在地球气候中的作用，并预测降雨模式、飓风强度和海平面上升等情况。舰队的一些浮筒可以潜入 2,000 米以上的深海，即超过一英里深。相比之下，世界上开放式水肺潜水的最深潜水深度为 332.35 米。

然而，2000 米并不是水下机器人的最深下潜深度。2009 年 5 月 31 日，遥控机器人 Nereus 下潜至西太平洋马里亚纳海沟底部，下潜深度达到 10902 米。尽管 Nereus 机器人在执行任务期间失踪，但它在海底停留了 10 多个小时，通过光纤连接向船只发送实时视频反馈，并用机械臂收集地质和生物样本。使用光纤连接代替铜线是 ROV（遥控机器人）能够下潜更深并完成更复杂任务的重大改进之一。

然而，包括自动驾驶汽车、无人机和家用机器人在内的自主机器人车辆的出现对水下探索产生了更大的影响。自主水下航行器的发明使它们能够用于关键基础设施保护，特别是在天然气和石油行业，以防止灾难、搜索和救援行动、监视、采矿、数据收集和深水检查。自主水下航行器还可以在水下的对接站为电池充电，从而使电力资源主要用于任务本身。

如今，ROV 和 AUV 不仅配备了摄像机和可变照明，还配备了声学和跟踪传感器、无损检测传感器、清洁设备以及多种单一或多用途工作工具，如杆、钩甚至刀具。

自主水下航行器的类型

波音公司首款超大型无人水下机器人 Echo Voyager 于 2017 年首次投入运行，已在海上运行了 10,000 小时，自主传输了数百海里。它大约有一辆校车那么大，可用于石油和天然气勘探以及基础设施分析。澳大利亚和英国等国家正致力于 原创评论 开发和部署大型自动驾驶机器人用于国防目的。此外，中国最近完成了珠海云号的建造，这是一艘无人驾驶船，它利用人工智能在海上航行，不需要船员。那么自主水下机器人有哪些类型呢？首先，便携式 AUV 是最小的一类，通常呈鱼雷形状，重约 10-50 公斤，例如美国 Hydroid 公司开发的 Mk 18 Mod 1 Swordfish。它们可用于低能见度海上探索，深度可达 40 英尺。稍大一些的轻型 AUV 通常重量高达 227 公斤，例如 ATLAS 的 SeaWolf 或通用动力任务系统公司的 Bluefin-12S，它们可以携带多个有效载荷并执行各种水雷作业。重型 AUV 的重量一般在 5,000 公斤至 10,000 公斤之间，用于需要续航时间 40-80 小时的较长任务。最后，超大型 AUV 大多正在开发中，例如波音公司的 Orca，其设计旨在超越 Echo Voyager，并在海上执行数月任务。

自主水下机器人面临的挑战及新解决方案

任何 AUV 开发都必须面对的主要挑战包括开发合适的组件，这些组件不仅需要防水容器和设备，还应能够承受高压和低温。然后，它还必须克服在带宽减少和通信可靠性低的情况下运行时的通信损耗和多径效应。最后，远程任务要求车辆配备适当的电源系统并有效利用这些能源。科学家们旨在克服电源问题的方法之一是利用生物启发机制发电。例如，英国布里斯托尔大学的科学家开发了 Row-bot，这是一种自主机器人，它以游动的脏水中的有机物为食——这个想法是，机器人应该能够通过从环境中获取能量来无限期地运行。这种解决方案不仅可以产生能量，还可以帮助清洁海洋，这已成为近年来多个非营利组织和研究团体的主要任务之一。例如，总部位于美国的 Clear Blue Sea 和法国初创公司 IADYS 致力于提供机器人解决方案，以清除水源中的塑料和其他垃圾污染。科学家们正在进行的其他一些项目包括处理海洋生物。例如，哈佛大学的研究人员旨在使用软机器人捕捉水母等微小而脆弱的海洋生物，收集细胞并扫描其基因组，然后在不造成伤害的情况下释放它们。澳大利亚昆士兰科技大学的研究人员正在开展 COTSbot 和 RangerBot 项目，旨在寻找有毒和入侵物种，例如以珊瑚礁为食的棘冠海星，并向它们注射致命剂量的胆汁盐，以将它们从珊瑚礁中消灭。

从水下航行器到机器美人鱼

上述许多机器人都是专门为执行特定任务而设计的，然而，研究水下世界不仅需要自主机构，还需要触觉反馈。现有的机器人潜艇无法像人类潜水员一样熟练和谨慎地潜水，因此，OceanOne 的研究人员受到人类潜水员的启发，创造了第一个机器美人鱼：它的头部配备立体视觉，可以将机器人看到的景象准确传达给人类，而它的两个全关节臂则配备了触觉反馈系统，这意味着人类飞行员可以感受到机器人的感受。机器人的尾部装有电池、电脑和推进器。更重要的是，人形外形使 OceanOne 能够与真人一起潜水，并通过手势向他们传达任何潜在危险。这种形状和设计的每个方面都是为了完成对人类潜水员来说很危险的任务，但对于防止水下灾难或探索海洋来说却至关重要。

如果我们回顾 1966 年 Palomares B-52 坠毁事件，尽管 150 名合格的人类潜水员使用压缩空气在 120 英尺深的水域、使用混合气体在 210 英尺深的水域以及使用安全帽在 350 英尺（110 米）深的水域搜寻剩余的热核炸弹，但炸弹位于 2,559 英尺（780 米）的深度，这低于人类潜水员的极限，但使用人形机器人和海上机器人很容易实现。未来，传感、通信和人工智能技术的进步可能会使 AUV 越来越强大和多功能，为海洋探索和研究开辟新的科学机会。凭借在具有挑战性的水下环境中自主操作的能力，AUV 有可能大大扩展我们对海洋及其生态系统的了解，并帮助应对紧迫的环境和社会挑战，如气候变化、海洋污染和自然灾害。