中國網/中國發展門戶網訊    黨的十八大報告明確提出，提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國。黨的十九大報告要求加快建設海洋強國。探索和認識海洋需要包括水下機器人在內的多種海洋技術裝備，“十二五”“十三五”期間，國家重點部署了4500m級和11000m級深海技術裝備的研制；“十四五”規劃進一步提出，要在深海、極地等前沿領域實施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。深海探測、海洋資源開發利用等已成為新興戰略性領域，關注深海、聚焦深海資源的開發已上升為國家戰略。

近年來，水下機器人（UUV）在海洋科學研究、海洋工程及戰略高技術等領域得到了廣泛應用。通常，水下機器人可分為自主水下機器人（AUV）和有纜遙控水下機器人（ROV）。AUV自帶能源自主航行，可執行大范圍探測任務，但作業時間、數據實時性、作業能力有限。ROV依靠臍帶電纜提供動力，水下作業時間長、數據實時，作業能力較強，但作業范圍有限；近年來發展的混合式水下機器人—自主/遙控水下機器人（ARV）結合了AUV和ROV的優點，自帶能源，通過光纖微纜實現數據實時傳輸，既可實現較大范圍探測，又可實現水下定點精細觀測及輕作業。ARV是信息型AUV向作業型AUV發展過程中的出現新型水下機器人。此外，水下滑翔機（glider）作為一種新技術平臺，適用于長時間、大范圍海洋環境觀測，近年來逐漸成熟。

水下機器人能夠在極端海洋環境下工作，到達人類難以到達的海區，在探索人類未知世界發揮越來越重要的作用。通過自主航行控制、導航定位通信、能源動力推進、目標探測識別、機械手作業等高新技術的不斷突破，水下機器人將有效推動在海洋環境觀測、深海資源探測和開發、深淵和極地的科學考察等領域的應用。

國外水下機器人發展現狀

國外水下機器人研究已有近70年的歷史。以美國為代表的西方發達國家，先后研發了ROV、AUV、ARV，以及水下滑翔機等多種不同類型的水下機器人，成功用于深海資源調查、海洋科學考察、水下搜索救撈等領域。

目前全球有上百家ROV制造商，正在使用的ROV數以千計，而且還在繼續增長。其中美國、加拿大、英國、法國和日本等發達國家在ROV領域處于領先地位，占據了絕大部分的商用市場份額。美、日、俄、法等國家已經擁有了從水面支持母船到潛深3000—11000m的系列深海裝備，通過裝備之間的相互支持、聯合作業和安全救助等，能夠順利完成水下調查、搜索、采樣、維修、施工和救撈等任務。

自20世紀50年代美國華盛頓大學研制出世界上首臺AUV以來，其發展已經歷了60余年。20世紀90年代后期，隨著計算機技術發展和電子技術的日益成熟，AUV進入快速發展階段，一批有影響的AUV相繼研制成功并成功應用，包括美國的ABE、英國的Autosub、加拿大的Theseus。進入21世紀，AUV技術得到了進一步的發展，產品化的AUV不斷涌現，如美國Hydroid公司的Bluefin系列、挪威Kongsberg公司的REMUS系列和HUGIN系列、美國Teledyne公司的Gavia系列，標志著AUV進入了實際應用階段。

美國、日本等海洋強國先后研成功研制于不同工作目標的ARV，其研究成果得到國際廣泛認可。最具代表性的是美國伍茲霍爾海洋研究所研制的HROV Nereus（“海神”號），具有AUV、ROV兩種作業模式，但需要在機器人下水前現場進行作業工作的換裝。自2011年起，在“海神”號基礎上，針對極地海冰調查，伍茲霍爾海洋研究所開始研制新的混合型水下機器人Nereid UI，其最大工作水深2000m，攜帶20km的光纖微纜，并搭載多種生物、化學傳感器，可進行大范圍的冰下觀測和取樣等作業。

國外水下滑翔機技術的發展與應用主要集中于美國、法國、英國和澳大利亞等國。20世紀90年代，美國相繼開發成功Slocum、Seaglider和Spray3種水下滑翔機，并持續進行技術攻關和應用。此外，歐洲和澳大利亞從21世紀開始專注于水下滑翔機的應用和協作技術的研究，并組建了各自的水下滑翔機觀測網絡。

總結國外水下機器人目前發展的現狀，ROV已產業化并被廣泛使用，其發展更強調作業能力，以及提高其作業的自主性；由于水下能源、通信和導航技術的約束，AUV依然是當前研究的熱點并且正在經歷產品化的過程，系列化的產品不斷涌現；ARV技術在極地和深淵科考中的應用，有效拓展了AUV的應用領域；水下滑翔機作為低成本大范圍海洋觀測設備，通過獲取海量數據，改變了人類對海洋的認識。水下機器人技術的發展，離不開需求牽引的廣泛應用，正是不斷地應用，推動了水下機器人的技術進步。本文重點介紹我國水下機器人應用現狀。

我國水下機器人應用現狀

我國的水下機器人研究工作始于20世紀70年代末期。40多年來，我國水下機器人技術得到了快速發展。進入21世紀，在科學技術部、中國科學院、中國大洋礦產資源研究開發協會（以下簡稱“中國大洋協會”）等部門和組織的支持下，以“潛龍/探索”系列自主水下機器人、“海星/海龍/海馬”遙控水下機器人、“海斗”系列自主遙控水下機器人、“海翼/海燕”系列水下滑翔機等為代表的深海技術裝備成功研制與應用，帶動了深海技術的進展，極大地提高了我國深海科學研究與深海資源勘探水平。中國科學院沈陽自動化研究所（以下簡稱“沈陽自動化研究所”）是我國最早開展水下機器人研究的單位，其研制的海洋技術裝備在一定程度上反映了中國水下機器人的研究進展。下面，以沈陽自動化研究所為例，介紹我國水下機器人應用現狀。

積極推動我國水下機器人在深海領域的持續應用

初步構建我國深海資源自主勘查的技術裝備體系

深海蘊藏著地球上遠未認知和開發的寶藏，是人類社會謀求未來生存與發展的重要戰略新疆域。隨著人類社會的高速發展，對各種資源的需求不斷攀升，陸地資源面臨日益緊張的局面，開發和利用深海礦產資源是人類可持續發展的重要保障。深海礦產資源被認為是21世紀最重要的陸地礦產接替資源，作為人類尚未開發的寶地和高技術領域之一，已經成為各國的重要戰略目標。自2001年起，我國已經獲得了包括多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼等3種資源類型在內的5個大洋海底勘探合同區，成為資源種類最全、勘探合同區最多的國家之一，有效地拓展了國家戰略資源的新來源。這些礦區的前期開發申請及勘探合同簽訂后，都需要高精度、高效的探測裝備。

“十三五”期間，為滿足現有國際海底礦區勘查和新礦區圈定的迫切需要，在國家重點研發計劃、中國大洋協會、國際海域資源調查與開發等項目的支持下，沈陽自動化研究所聯合國內多家機構，攻克復雜海底環境下的高精度導航、自主避障和穩定航行控制等多項關鍵技術，成功研制了具有微地形地貌測量、海底照相、水體異常探測、磁力探測等功能的深海資源自主勘查系統——“潛龍”系列深海AUV（圖1）。結合探測任務及海底環境，“潛龍一號”和“潛龍四號”設計為圓柱回轉體，適用于海底相對平坦礦區；“潛龍二號”和“潛龍三號”設計為立扁魚型非回轉體，適用于復雜海底地形礦區。“潛龍”系列深海AUV用于多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物、天然氣水合物等多種深海資源的精細勘查，填補了我國深海資源自主勘查的空白。“潛龍”系列深海AUV先后參加了10余次大洋科考航次，在太平洋、大西洋、印度洋等海域開展航次應用，累計下潛近百次，完成聲學探測測線超過5000km，聲學探測面積近2000km²。根據“潛龍”系列深海AUV獲取的海底多元數據，科學家對深海礦產資源的分布和成礦機理有了重要發現，為礦區區域放棄和后續資源開發提供了精準數據和模型。

初步構建我國海洋科學研究的自主觀測與作業技術體系

海洋科學是海洋技術發展的源泉，海洋技術是海洋科學創新的動力。歷史上，海洋學的創新都源自海洋調查觀測的結果，海洋科學的創新研究與海洋觀測和探測技術密不可分。在國家“863”計劃、國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項的支持下，沈陽自動化研究所成功研制出“探索”系列自主水下機器人、“海星6000”遙控水下機器人、“海翼”系列水下滑翔機等裝備并取得重大突破，初步構建了面向海洋科學研究的自主觀測與作業技術體系，成功在西太平洋、印度洋、南海、東海、黃海等海域開展應用，實現多水下機器人集群組網探測，開啟了我國海洋科考新模式。

面向海洋科學研究需求，在國家重點研發計劃的支持下，沈陽自動化研究所研制的“探索100”是一套集聲學探測和光學觀測的50kg級模塊化便攜式AUV，實現了小批量制造，在突破無人潛水器協同控制組網觀測等關鍵技術的基礎上，實現了基于聲通信的多AUV組網觀測應用。2019—2020年，由多臺“探索100”（圖2）組成的水下機器人組網觀測系統開展了多項海洋特征觀測海上試驗及示范應用。利用多臺AUV對大亞灣冷水團入侵和岬角渦旋現象進行觀測，首次獲得了大亞灣海域高分辨率的冷水團入侵和岬角渦旋精細結構特征，為研究上升流冷水對大亞灣底層生態系統的影響提供依據。在重點海區利用多AUV開展了協同熱點區域搜索、編隊和溫躍層協同觀測試驗，以及海洋環境場自適應觀測應用示范，按實時規劃的航跡，對環境場變化最快的海域進行觀測，有效修正了該海域海洋系統模式，提高了海洋環境場預測精度。 

“探索4500”是一套集成微地形地貌測量、海底照相、熱液異常探測等傳感器的4500m級AUV，可在深海熱液活動區和冷泉區開展精細聲學探測、近底光學觀測。自2017年起，“探索4500”多次參加海上應用，包括冷泉區近底自主高精度探測，與“海馬”號ROV在南海北部陸坡海域開展聯合調查等任務。“探索4500”在水體觀測和光學調查任務中，獲得大量水體觀測數據和高清海底照片，拍攝到具有“冷泉”特征的海底生物（圖3），為發現新的海底大型活動性“冷泉”，查明其分布范圍、生物群落及流體活動等奠定堅實基礎。

“海星6000”是我國首臺自主研發面向科考應用的6000m級ROV裝備，最大作業功率50HP^①，最大工作深度6000m，采用全電動推進，搭載有七功能機械手、回轉生物吸取樣器、宏生物采集箱、沉積物取樣器、采水瓶等深海科考工具，具備浮力調節和水下廣播級高清視頻拍攝，可進行近海底采樣作業。在2018年科考航次中，“海星6000”（圖4）連續工作數小時，完成了6000m近海底航行觀察、生物調查、海底表層沉積聚成物獲取、泥樣和水樣采集、模擬黑匣子搜索打撈、標識物放置等，最大工作深度6001m，創造我國ROV最大潛深的紀錄。

水下滑翔機是一種依靠浮力調整洋流驅動的新型水下機器人，無螺旋槳推進器，具有長續航力優勢。2009年，“海翼1000”在國內率先突破海上航行距離1000km的基礎上，2021年，“海翼1000”滑翔機海上航行距離已經超過5000km，最長持續工作302天，觀測剖面數超過1500條，再次創造我國水下機器人續航力新紀錄。

在單體性能提升的基礎上，“海翼”水下滑翔機連續開展海洋科考航次集群應用。2017年7月，首次開展多水下滑翔機協同觀測任務，創造了當時我國海上連續工作時間最長、航行距離最遠、觀測剖面數最多的紀錄，為開展深海海洋環境精細探測提供了系統解決方案。2019年，11臺“海翼”水下滑翔機完成西北太平洋中尺度渦旋（冷渦）綜合觀測。2020年，12臺“海翼”水下滑翔機（圖5）完成印度洋聯合海洋與環境研究計劃（JAMES研究計劃）冬季調查任務。2021年，8臺“海翼”水下滑翔機作為重要調查裝備參加了由中國科學院海洋研究所組織的國家自然科學基金共享航次計劃西太平洋科學考察實驗研究任務，成功完成西太平洋集群觀測應用。“海翼”水下滑翔機的規模化應用，標志著我國水下滑翔機達到實用化應用水平。

全面引領我國水下機器人在深淵領域的創新應用

近年來，深淵科學正成為國際地球科學尤其是海洋科學的最新前沿領域。隨著深淵探測技術瓶頸被逐步突破，深淵科學研究成為我國占領國際海洋科學研究制高點的重要機會，對我國海洋科學事業的發展乃至國家整體科學創新實力的提高均發揮了重要的推動作用。

在中國科學院戰略性先導科技專項支持下，沈陽自動化研究所自主研制的全海深無人潛水器關鍵技術驗證平臺——“海斗”號（圖6），是我國首臺下潛深度超過萬米的水下機器人，搭載有溫鹽深儀和高清水下攝像機等傳感器和設備，最大工作水深11000m，可通過微細光纜進行通信和視頻傳輸。2016—2018年，“海斗”號連續3年參加我國馬里亞納海溝深淵科考航次。“海斗”號總計下潛40次，其中11次到達萬米以下深度，最大下潛深度10905m，創造我國水下機器人最大下潛及作業深度記錄，獲得我國首批全海深溫鹽深數據資料，實現我國首次全海深高清視頻直播。

2020年5月，在國家重點研發計劃支持下，沈陽自動化研究所牽頭研制的“海斗一號”自主遙控水下機器人（圖7）在馬里亞納海溝成功完成首次萬米海試與試驗性應用，最大下潛深度10907m，為我國開展深淵科考獲取了首批重要數據和樣品，填補了我國萬米級作業型無人潛水器的空白。

2021年10月，“海斗一號”再次開展馬里亞納海溝萬米科考應用，總計完成8次萬米深潛與作業，最大深度10908m，海底累計工作超30h、航程超30km、探測覆蓋面積超15km²，海底有效高清視頻時長超15h，獲取了8個點位或區域的典型萬米深淵水文、生物、地質等數據或樣品。在國際上首次實現了對“挑戰者深淵”西部凹陷區的大范圍全覆蓋聲學巡航探測。“海斗一號”的成功應用，表明了我國全海深無人潛水器正式跨入萬米科考應用的新階段，填補了當前國際上全海深無人潛水器萬米科考應用的空白。

持續探索我國水下機器人在極地的科考應用

南、北極對全球系統影響非常關鍵，其變化將直接影響到全球的氣候和海洋環境的變化。我國堅持南、北極科學考察是實現我國海洋防災減災、揭示全球氣候變化、動態海洋過程形成和演變機理的重要活動。水下機器人作為一種先進的運動平臺，搭載有關的觀測設備，可為極地海洋環境研究提供一種大范圍、連續的觀測手段，推動南、北極科學研究的不斷發展。沈陽自動化研究所從2003年參加我國第二次北極科學考察以來，一直致力于推動水下機器人在極地科考中的探索應用，相繼突破極地密集海冰覆蓋安全回收、高緯度冰下導航等關鍵技術，研制和優化改造了一系列高技術水下機器人科考裝備，實現了從冰底精細觀測、海洋環境大范圍觀測到近海底高精度探測的技術跨越。

實現海冰底局部觀測到海底大范圍探測的技術跨越

在國家“863”計劃支持下，沈陽自動化研究所先后研制了兩型北極自主/遙控水下機器人（圖8），搭載海冰測厚聲吶、光通量探測儀、視頻觀測等設備，分別于2008年、2010年和2014年參加了我國北極科學考察，獲取了北極海冰底部物理特征和海洋環境等重要參數，實現了海冰厚度的區域高精度測量。

2021年，在中國第12次北極科考中，升級改造后的“探索4500”在北緯85°海域成功完成下潛探測（圖9），這是我國首次使用自主水下機器人完成北極高緯度海冰區近海底科考任務。“探索4500”在4000m海底連續工作，成功獲取了近底高分辨多波束、水文及磁力數據。其連續成功下潛為我國不斷深化對北極洋中脊多圈層物質能量交換及地質過程的探索和認知提供了重要數據資料。 

實現我國水下機器人南極科考中首次示范應用

面向南大洋海洋環境調查任務，沈陽自動化研究所對“探索1000”AUV進行了適應性改造，搭載溫鹽深、溶解氧、濁度計、葉綠素等傳感器，以提高南極浮冰覆蓋的海洋環境適應性，于2019年和2020年先后兩次參加中國南極科考，為考察隊執行羅斯海多環境要素綜合調查提供了重要技術支撐。

在第35次南極科考中，“探索1000”以南極極區海洋觀測應用為目的，獲得南極南緯75°海域海洋要素數據，驗證了南極環境下自主導航、穩定航行、自主安全潛浮等功能和性能。在第36次南極科考中，“探索1000”（圖10）水下連續工作35h，航程近70km，完成了近20個垂直剖面的連續觀測，獲得了海流、溫度、鹽度、濁度、溶解氧及葉綠素等大量水文探測數據，驗證了我國自主水下機器人在極端海洋環境下開展科學探測的實用性和可靠性，為我國水下機器人南極科學考察業務化運行奠定技術基礎。

近年來，在國家有關部門的大力支持下，我國水下機器人技術研發與科考應用能力有了長足的進步，多項技術裝備填補了國內空白，部分技術達到國際先進水平。面向深海資源勘查、海洋科學研究等國家重大需求，構建了譜系化技術裝備體系，引領了我國水下機器人裝備發展，實現了深海資源近底高精度聲光綜合探測、深海原位取樣及分析探測、超長航程跨季度跨海域持續觀測及深淵海溝、南極和北極冰下探測，使我國具備了全海深探測與作業能力。在推動材料、流體和聲學等基礎學科發展的基礎上，不斷推動設立機器人海洋學、機器人測繪學等新型學科，帶動傳感器、能源、推進、導航、通信等技術的進步，推動了我國深海科學研究與技術裝備研發的緊密結合。

水下機器人應用的成功經驗表明，堅持走深海技術國產化道路是我國的正確選擇。我國具有全面自主掌握深海核心關鍵技術的能力和潛力。堅持“戰略先導先行—重大研發任務攻關—示范應用”的路線，加強原創性、前瞻性、引領性科技攻關，把裝備制造牢牢抓在自己手里，從而為海洋強國建設發揮更大作用。

水下機器人應用展望與建議

面向未來更復雜、更極端的應用場景，需要提高單體水下機器人的智能化水平。通過開展新型能源材料、流體力學、控制導航等傳統學科與新興學科的跨學科交叉融合與技術創新，推動人工智能、大數據等信息技術與水下機器人技術的深度融合。人工智能方法已經在機器人視覺、移動機器人和工業機器人控制等方面展現出優越的環境適應性；隨著社會信息化不斷提高，大數據技術應運而生，且獲得了廣泛的應用。這些先進技術為水下機器人智能化提供了新思路和新方法，例如：采用人工智能方法，可提高水下機器人的環境感知理解、自主行為決策等智能化水平；采用大數據技術，可提升水下機器人健康自評估和修復、目標動態識別等能力。研發新一代智能水下機器人，進一步完善水下機器人譜系化裝備體系，實現水下機器人向智能水下機器人的技術跨越，已成為水下機器人未來的發展趨勢。

面向未來更廣泛、更迫切的國家需求，需要充分利用不同類型水下機器人的技術特點，提高水下機器人集群綜合探測能力。突破跨域集群多源實時感知、多源信息融合、即時決策響應等關鍵技術，實現機器人間的互聯互通，構建多機器人跨域集群協同探測與作業系統，為實現海洋應用提供前瞻技術儲備。

面向我國深海技術裝備的未來應用，從研發極端環境裝備、長期駐留科考、無人化科考、科學問題認知等方面，提出4點發展建議。

（1）研發適應極端海洋環境的深遠海科考裝備。面向南極、北極、深淵海溝等“三極”極端海洋環境應用的需求，提高自主環境感知、復雜環境適應、智能決策與自主生存等技術。研發超長航時海洋中小尺度觀測系統、穿越北極自主水下機器人、環南大洋跨年連續觀測水下機器人、南極冰腔探測作業機器人等。通過水下機器人的技術進步，提高人類對海洋的認知水平，深刻理解海洋對全球氣候變化的影響。

（2）實現從航次型科考模式向深海長期駐留型科考模式的轉變。針對深淵科考、深海礦產資源開采和深海油氣資源開發等需求，突破海洋裝備駐留海底所需解決的長期防腐蝕、高速信息交互、高效能源補給、模塊化換裝、區域全場景監控及自主作業等關鍵技術。構建海底基站原位觀測與智能水下機器人大范圍觀測探測相結合的近海底科考體系，實現我國深海海底開展長期駐留連續科考與作業，深刻理解全球氣候變化對海洋海底環境的影響。 

（3）實現從有人科考向無人化科考模式的轉變。面向更極端海洋觀測與探測的需求，全面提升海洋科考效率，構建高海況適應的少人化或無人智能船與水下機器人深入融合的綜合科考體系。突破高海況適應科考母船建造、水下機器人高效布放回收、遠程虛擬的水下科考作業操作、自動化實驗室樣品處理與分析等技術。通過技術進步，降低海上科考隊規模，提升海上無人裝備應用水平，減少惡劣海況對科考作業的影響。

（4）不斷提高海洋重大基礎性科學問題認識水平。依托智能船和海洋機器人觀測探測技術，不斷深化對臺風、內波、生態環境等海洋重大科學問題的認識。深化臺風極端海洋動態過程認識，構建臺風過程大氣-海氣界面-上層水體“跨界面”立體觀測系統；突破臺風核心區跟隨觀測瓶頸，揭示臺風-海氣耦合機制，提高預報精度，助力臺風災害預防。深化海洋中小尺度過程極端海洋動態過程認識，構建中小尺度過程“跨尺度”長時間立體同步觀測系統；突破全周期立體協同動態跟蹤觀測瓶頸，揭示內波生消機制，實現準確預報，提升安全保障能力。深化海洋生態環境極端動態過程認識，構建海洋生態環境“跨學科”四維立體長時續觀測系統；突破全方位高效動態協同觀測瓶頸，揭示生態環境耦合機理，助力實現“雙碳”目標。

經過多年的技術攻關和示范應用，中國構建了譜系化的水下機器人的裝備體系，具備了開展不同類型水下機器人的正向設計能力。站在新的歷史發展階段，推動產業化進程，加快構建水下機器人工業化體系，加強行業應用，努力提升水下機器人對我國海洋經濟的貢獻度，為我國加快海洋強國建設作出更重要的科技貢獻。

（作者：李碩、李一平、趙宏宇，中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 中國科學院大學；吳園濤，中國科學院重大科技任務局；李琛，中國科學院重大科技任務局。《中國科學院院刊》供稿）

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