“海斗一号”全海深自主遥控水下机器人研制与万米深潜

  中国科学院深海科学与工程研究所，中国科学院声学研究所，哈尔滨工程大学，中国科学院西安光学精密机械研究所，清华大学，中国科学院力学研究所，浙江大学，中国科学院自动化研究所，中国电子科技集团第二十一研究所

  “海斗一号”全海深自主遥控水下机器人(以下简称“海斗一号”)，是面向国家深远海核心关键技术与装备重大需求而研制的可覆盖全球所有海洋深度、最大可达11000米的水下机器人。全海深水下机器人，是当前国际海洋科学研究的最高技术水平与能力标志之一。

  海斗深渊，通常是指海洋中深度超过6000米的区域，代表着人类开展深海研究的极限。特别是深度可达万米的深渊，由于其独特的环境和极限的技术难度，更是人类知之甚少且长期以来难以企及的海底区域。受制于深海技术与装备的限制，人类对深渊生命、环境和地质过程的了解十分有限，深渊科学正成为国际海洋科学研究的最新前沿。现有的深海技术方法尚不足以满足深渊科学研究的需求，亟需研制具备深渊探测和取样能力的全海深水下机器人。

  “海斗一号”项目围绕我国深远海战略发展规划，面向深渊生命演化、环境及地质演变等科学前沿问题，突破深渊潜水器核心关键技术，研制具有自主知识产权、具备较大范围自主航行、定点精细探测和取样作业能力的全海深自主遥控水下机器人，为深渊科考提供精细调查、近海底探测和全海深取样作业能力的海洋高技术装备支撑。

  历经五年的集智攻关，具有完全自主知识产权的“海斗一号”全海深水下机器人研制成功。2020年，“海斗一号”成功万米深潜，实现我国首次万米取样作业，开启我国全海深作业新时代。2021年，“海斗一号” 成功万米科考应用，国际首次实现对挑战者深渊西部凹陷区的全覆盖巡航探测，推动我们国家海洋科考迈入“深海探测”新阶段。“海斗一号”创造万米海底航时、航程、探测覆盖面积等多项世界记录，填补当前国际全海深水下机器人万米应用空白。

  “海斗一号”是我国首台实现万米深潜的全海深重大装备，突破了多项国际难题，取得了多项原创性重大科学技术创新成果，引领了我国全海深水下机器人技术与装备发展。

  (1) 突破水下机器人对极限大深度压力的自适应技术，解决了复杂深渊环境下的安全与生存难题

  高压、低温、黑暗的万米深渊，给水下机器人的安全乃至生存，提出了严峻的挑战。超大深度、超高水压以及大梯度交变压力，使得传统的水下机器人承压和密封方式难以满足万米环境下长期、可靠应用的要求，如何实现对极限深度下的压力自适应，成为全海深水下机器人成败的关键。本项目基于团队在深海水下机器人领域的技术储备，提出了补偿式承压密封技术和承压元器件封装新工艺，实现电子元器件舱体内外的压力平衡且与外界海水隔绝，解决了万米压力下承压和密封的技术难题，实现了水下机器人对极端深度的压力自适应。通过发明的适于充油高压环境的电器元件与控制单元的封装与隔离的系列技术，攻克了浸油电控系统承压、电源隔离与分配等难关，形成了“海斗一号”关键电控器件在高压浸油环境下的连续稳定工作能力，保障了其在万米深渊海底工作的可靠性、稳定性和安全性。基于该项关键技术的突破，“海斗”系列全海深水下机器人实现我国水下机器人万米深潜零的突破，成功实施了多次万米深潜和科考应用，推动我国深海科考跨入万米时代。

  (2) 突破水下机器人自主遥控混合控制技术，构建了适于万米极端海洋环境的机器人操控新模式

  海洋中的万米深渊海底，是一种典型的极端复杂非结构环境，对水下机器人的操控能力，包括应急、决策、处置等，提出了极大的考验。在当前水下机器人万米感知、识别、定位等自主能力和智能化水平有限的现实情况下，本项目提出了面向极端海洋环境的自主遥控多模式控制策略，可以根据科考需求，在不改变机器人基础配置的前提下，即可按照自主模式、遥控模式和自主遥控混合模式，灵活切换，高效实施科考任务。面向大范围巡航探测，“海斗一号”可采用无缆自主模式，以AUV的操控方式进行下潜任务实施，自主完成近海底的大范围自主巡航探测；面对海底局部区域或定点的作业任务，“海斗一号”以有缆遥控方式，像ROV一样开展坐底式定点精细化作业；面向既有一定范围内搜寻定位，又有锁定目标后的识别作业任务，“海斗一号”采用自主遥控混合模式，自主搜寻+人工定位识别，最后切换至遥控作业，完成探测与作业双重任务。通过海试验证，项目组构建了基于人机协同和人机共融理念的多模式操控技术体系，充分发挥了“海斗一号”大范围自主巡航探测和定点遥控精细作业相融合的操控模式，实现了面向科考目标的操控模式在线动态实时切换，形成了对深渊复杂多变的使命任务的在线调整和灵活适应能力，推动我国水下机器人深海科考跨入万米应用新阶段。

  (3) 突破长距离大深度软体光纤微缆的建模与应用技术，实现了万米深渊海底视频影像实时传输

  光纤微缆，是实现全海深水下机器人实时通信、视频传输、遥控作业等人机交互的有效介质。然而光纤微缆本身脆弱，受弯曲易折断，从而导致通信意外中断。从波涛汹涌的海面至暗流涌动的深水区，直至万米深渊复杂的海底，光纤微缆需要克服诸多因素带来的折断、拉断或信号衰减等问题。本项目针对光纤微缆的使用安全性难题，结合在深海环境下的光纤微缆水动力特性，构建了软体光纤微缆物理特性模型，并基于模型的分析，发明了一种自适应光纤微缆综合管理方案与装置，通过自动释放以补偿适应海洋环境扰动，克服了复杂海洋水体和海底环境对微细光纤的水动力影响，保障全海深光纤通信链路的稳定性和可靠性。基于该项技术突破，“海斗一号”成功实现了万米深渊海底高清视频影像的实时传输，万米深渊海底的地形地貌、底栖生物、地质构造等，实时展现在科学家的眼前；同时，基于光纤实时通信，操控者通过远程遥控方式操控“海斗一号”的机械手，实现了我国首次万米海底的机械手取样作业，获取了我国首批万米深渊海底样品，为我国科学家科学认知万米深渊海底提供了样品支撑。

  (4) 突破探测作业一体化高集成度优化设计技术，形成了高效的全海深精细探测与灵巧作业能力

  探测与作业，是水下机器人两种典型的海洋科考应用模式。传统的水下机器人，通常围绕其中的某一项开展工作，综合工作效率不高。全海深万米海底是一种典型的非结构复杂环境，全海深水下机器人历经数小时抵达万米海底，其面临的工作既有大范围探测的需求，同时也有局部区域作业的内容，这就对全海深水下机器人高效工作提出了迫切的需求。本项目紧密结合科考应用需求，提出了全海深水下机器人探测作业一体化的高集成度优化设计方法，科学布局并搭载了多型声学探测设备、高清摄像机、深度探测设备、温度探测设备和辅助照明装置等，为较为全面的实施深渊探测提供了基础 条件；同时，“海斗一号”搭载有七功能电动机械手、沉积物取样器和采水瓶，可有效开展万米深渊海底的取样作业。2020年，“海斗一号”成功实现我国首次万米海底探测与作业，2021年，“海斗一号”面向科考目标，实现了的高效探测与作业科考应用，在国际上首次实现了对“挑战者深渊”西部凹陷区的大范围全覆盖巡航探测和全海深电动机械手万米海底精细取样作业，为国际深渊科技进步和世界海洋地球物理科学研究做出了重要贡献。

  从2016年7月，到2021年10月，历经五年多的攻关研制和海试应用，“海斗一号”实现了我国全海深水下机器人万米深潜和科考应用的使命任务，取得了令人振奋的重大科学技术创新成果，推动我国全海深水下机器人跨入万米科考应用新阶段。面向未来，万米深渊海底的探索与研究之路漫长且艰辛，深海科技攻关与研究工作永无止境。