廣袤無垠的海洋，占地球總表面積的70%以上，海洋生物量占地球上已知生物總量的30%。在近海地區(qū)，平均每一立方厘米海水中就有1億個微生物；大陸坡下面的“天然氣水合物”含碳量相當(dāng)于人類所知全部礦物燃料的兩倍，可能成為未來的能源；海洋中蘊藏有3萬億噸富含錳、銅、鈷、鎳等的多金屬結(jié)核礦，還有許多新的礦藏不斷被發(fā)現(xiàn)，海洋礦物總量超過陸地1000多倍；深海微生物群占地球上總生物量的1/10，是尚待開發(fā)的巨大基因?qū)殠臁?/p>

海洋對人類生存意義巨大，但漫長的歲月里，海平面1000米以下的大洋深層區(qū)漆黑的視野、刺骨的嚴(yán)寒、巨大的壓力、奇形怪狀的海床地形和讓地心引力變得無足輕重的生存條件，都曾使渴望了解、開發(fā)海洋資源的人類對深海望而卻步。

深海潛水器技術(shù)與裝備是海洋探查和資源開發(fā)利用不可或缺的手段，也是制約我國開拓深海大洋的瓶頸。

實現(xiàn)我國大深度無人遙控潛水器自主研發(fā)“零的突破”

2014年2月20日至4月22日，由我國自主研制的首臺4500米級深海遙控?zé)o人潛水器作業(yè)系統(tǒng)——“海馬”號遙控潛水器（ROV）搭乘廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋六號”綜合科學(xué)考察船，分3個航段在南海進(jìn)行海試成功。這標(biāo)志著我國全面掌握了大深度無人遙控潛水器的各項關(guān)鍵技術(shù)，并在關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化方面取得實質(zhì)性進(jìn)展。

“海馬”號ROV與我國的“海龍”號、“蛟龍”號、“奮斗者”號等其他深海作業(yè)裝備共同構(gòu)成3500米、4500米、7000米和10000米4個級別的水下運載和作業(yè)裝備系列，使我國初步具備了深水運載和作業(yè)能力。

“海馬”號參加70周年國慶閱兵巡展

南海4500米的深海里，“海馬”號悄悄“舉起”相機(jī)，給自己拍了張“自拍照”。這只是它的設(shè)計功能之一。

“海馬”號的裝備除了水下高清攝像機(jī)、照相機(jī)，還包括聲吶、定位系統(tǒng)、兩套多功能機(jī)械手等多種作業(yè)工具和可更換的不同功能水下作業(yè)底盤，具有自動定向、定深、定高航行和航跡定位功能，可通過機(jī)械手和多種作業(yè)工具開展深海鉆探、水下巖石切割、生物取樣、水下設(shè)備救撈、海底觀測網(wǎng)布纜等高強(qiáng)度水下連續(xù)作業(yè)，總體性能指標(biāo)處于世界同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平，相關(guān)技術(shù)和裝備國產(chǎn)化率超過90%，是迄今為止我國自主研制的下潛深度最大、國產(chǎn)化率最高的大型無人遙控潛水器作業(yè)系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)我國在大深度無人遙控潛水器自主研發(fā)領(lǐng)域“零的突破”，科研人員進(jìn)行了整整6年的攻關(guān)，突破了本體結(jié)構(gòu)、浮力材料、液壓動力和推進(jìn)、作業(yè)機(jī)械手和工具、觀通導(dǎo)航、控制軟硬件、升沉補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵技術(shù)，先后完成了總裝聯(lián)調(diào)、水池試驗等工作，并針對試驗中暴露出的問題和故障進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)。

這一由上海交通大學(xué)和上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司為主承擔(dān)的項目成果——“4500米ROV本體和關(guān)鍵配套設(shè)備”獲得2017年度上海市科技進(jìn)步獎一等獎。

適合高強(qiáng)度水下作業(yè)

與近海作業(yè)通常由潛水員以常壓潛水或飽和潛水的方式直接下潛至水中不同，深海的巨大水壓（水面以下每深入約10米即增加1個大氣壓）使純?nèi)斯さ目碧胶妥鳂I(yè)不再可能。

目前世界上已有的深海運載和作業(yè)系統(tǒng)一般包括載人潛水器和無人潛水器兩大類，后者又包括遙控潛水器、水下自治機(jī)器人（AUV）和 自主遙控混合式水下機(jī)器人（ARV）。

其中，如我國的“蛟龍”號、美國的“阿爾文”號、法國的“鸚鵡螺”號、俄羅斯的“和平”號、日本的“深海6500”這樣的載人潛水器依靠電池供電，下潛時為了節(jié)約能源，一般靠重塊將潛水器往下壓，到了水下拋載；在達(dá)到零浮力時，由潛航員在潛水器里操縱機(jī)械手開始作業(yè)；要上浮時，再拋掉一些載荷重量。由于人有生理和能源限制，水下作業(yè)時間有限。

通過多年的攻關(guān)，我國自主研發(fā)的4500“海馬”號ROV在進(jìn)行水池試驗

“海馬”號所屬的ROV是一種不載人的遙控有纜水下機(jī)器人，也是國際潛水器系列中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的水下作業(yè)設(shè)備之一。

其結(jié)構(gòu)呈開放式，沒有一個集中的“艙體”概念，ROV本體上所有器件都暴露在水下，通過一條如同嬰兒連接母體的臍帶一樣的臍帶纜與水面上的母船ROV水面控制系統(tǒng)連接。

母船上的操作人員可以通過安裝在ROV上的攝像機(jī)及其回傳系統(tǒng)，實時觀察海底狀況，并遙控操縱ROV及其機(jī)械手、配套的作業(yè)工具，實現(xiàn)水下作業(yè)。

ROV通常根據(jù)觀察或作業(yè)的需要，配備有水下攝像機(jī)、水下照明燈、云臺、聲吶、深度計、高度計、羅經(jīng)、機(jī)械手、控制系統(tǒng)等設(shè)備，其中，控制系統(tǒng)相當(dāng)于ROV的大腦。操作人員在水面上進(jìn)行操作，由一根連接到水面上、包裹光纖的長臍帶纜擔(dān)負(fù)傳輸能源和信息的使命，實現(xiàn)長期供電、通信和信號采集。

由于是無人有纜系統(tǒng)，ROV具有作業(yè)能力強(qiáng)、維持作業(yè)的能源不受時間限制、無人員風(fēng)險、能長時間相對靈活地在海底執(zhí)行復(fù)雜而艱巨的作業(yè)任務(wù)等“皮實”的優(yōu)點，因而可替代水下人員進(jìn)行海底極端環(huán)境下的觀察、取樣、搜索定位等作業(yè)，也可用機(jī)械手和專用工具等執(zhí)行較高強(qiáng)度的海洋調(diào)查和水下工程作業(yè)。特別是它功率較大、可以通過浮力塊加載別的裝備的特點，使它相對于載人潛水器，可攜帶的工具更多，功能更復(fù)雜，作業(yè)能力較其他的水下作業(yè)器械更強(qiáng)，能夠在水下照明、定位、傳感。但由于臍帶纜的限制，ROV的運動范圍比較小，主要應(yīng)用于深?？瓶?、海洋工程和水下?lián)岆U救撈。

“海馬”號水面操作控制系統(tǒng)

由于全球海洋的平均深度在三四千米左右，世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)作業(yè)級ROV設(shè)計的最大下潛深度都不超過4500米。又因作業(yè)級ROV主要用于水下打撈、水下施工等苛刻應(yīng)用環(huán)境，尺寸較大，帶有水下機(jī)械手、液壓切割器等作業(yè)工具，需要更大的動力、更精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程控制能力和更可靠的水下定位與操作能力，系統(tǒng)實現(xiàn)難度非常高，即使是美國、英國、俄羅斯、日本等深海裝備強(qiáng)國，ROV在水深超過6000米的深海進(jìn)行作業(yè)的成功案例也十分少見。國際上類似“海馬”號ROV或下潛深度更大的水下機(jī)器人，目前也為數(shù)不多。

傳統(tǒng)ROV采用金屬鎧裝臍帶纜，因受其強(qiáng)度/重量比限制，最大使用深度通常在6000米以內(nèi)，更大下潛深度ROV使用的臍帶纜必須采用非金屬鎧裝技術(shù)，目前僅日本開展這方面技術(shù)難題研究，用于萬米級ROV——“海溝”號，2003年在馬里亞納海溝作業(yè)時，神秘失蹤于太平洋水域。

為突破同樣制約我國全海深ROV系統(tǒng)研發(fā)的材料瓶頸，由中天科技海纜有限公司牽頭，聯(lián)合上海交通大學(xué)海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司、中科院沈陽自動化研究所、上海曉寶增強(qiáng)塑料有限公司等科研院所和高新技術(shù)企業(yè)共同研究攻關(guān)的“十三五”期間國家重點研發(fā)計劃—— “全海深ROV非金屬鎧裝臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)和試驗”項目，已取得了技術(shù)突破。

AUV既不載人也無臍帶纜，由程序員事先根據(jù)作業(yè)需要為它編好程序，之后自主在水下運動。由于擺脫了系纜的牽絆，AUV具有活動范圍大、機(jī)動性好、安全、智能化等優(yōu)點。隨著材料、電子、計算機(jī)、人工智能技術(shù)、小型導(dǎo)航設(shè)備等的突飛猛進(jìn)和海洋研究、開發(fā)及軍事領(lǐng)域的迫切需求，AUV得到了大力發(fā)展，在民用領(lǐng)域，可用于、海底考察、數(shù)據(jù)收集等；在軍用領(lǐng)域，則可用于偵察、布雷、掃雷、援潛和救生等，但在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)能力較弱。

與傳統(tǒng)的兩大類水下機(jī)器人ROV和AUV相比，通過自帶能源和長距離光纖微纜，ARV兼具AUV和ROV的功能——既可以像AUV那樣大范圍自主探測，又可以像ROV那樣遙控小范圍的精細(xì)測量。

由中科院沈陽自動化研究所主持研制，2016年6月22日至8月12日在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵成功完成5次下潛、創(chuàng)造了我國水下機(jī)器人最大下潛深度及作業(yè)深度記錄（10767米）的全海深自主遙控?zé)o人潛水器“海斗”號就屬于此類。它使我國成為繼日、美兩國之后第三個擁有研制萬米級無人潛水器能力的國家。

不同的潛水器各有其長短項，用途也各有側(cè)重。比如2014年馬航失聯(lián)后，人們推測它很有可能墜入了4500米深的南印度洋海底。在那種情況下， “海馬”號ROV就可以去執(zhí)行打撈黑匣子任務(wù)。

“海馬”號ROV開展深海海底作業(yè)

部件種類國產(chǎn)化率高達(dá)93%

我國早期由于原材料和基礎(chǔ)技術(shù)薄弱等原因，不具備ROV這種大型水下裝備研發(fā)條件。國外的ROV大多是在各國自行開發(fā)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)集成而獲得的。別的國家即使肯賣ROV設(shè)備給中國，控制系統(tǒng)也不對中國開放。

20世紀(jì)80年代，我國水下機(jī)器人技術(shù)落后，深海技術(shù)與裝備科研幾乎是“白手起家”。上海交通大學(xué)海洋水下工程科學(xué)研究院水下技術(shù)與裝備研究中心主任、“4500米ROV本體和關(guān)鍵配套設(shè)備”項目技術(shù)負(fù)責(zé)人馬廈飛自那時起，在30多年間親歷并見證了中國技術(shù)和工業(yè)制造力的飛速發(fā)展，以及中國ROV技術(shù)的一步步積累。

馬廈飛至今還記得在那個技術(shù)落后、面臨壁壘、信息也遠(yuǎn)不如今天發(fā)達(dá)的年代，自己經(jīng)手研制的第一個ROV下潛深度僅為100米，和今天的產(chǎn)品比起來，就像一個玩具。但是從100米到500米、1500米，直至4500米，馬廈飛和他的同事堅持自主創(chuàng)新，做了大量的材料、密封、控制等技術(shù)實驗驗證，突破無人遙控潛水器的一系列核心技術(shù)，研制出4500米級的“海馬”號、“海象-1500”號、“海馬-500” “海馬-200” “AUTO-1000”等系列ROV產(chǎn)品，實現(xiàn)了從觀測型到重載作業(yè)型水下機(jī)器人高技術(shù)裝備的國產(chǎn)化。

“海馬”號ROV設(shè)計的4500米下潛深度，接近我國南海中央海盆的深度，且覆蓋我國南海98%的海域、國際大洋海底100%富鈷結(jié)殼資源富集區(qū)和95%～98%熱液硫化物富集區(qū)水深，可以滿足絕大部分深海探查和作業(yè)的需求。

“海馬”號攜帶海底鉆機(jī)完成鉆探作業(yè)后出水的場景

作為我國首臺大型ROV，“海馬”號取得的突破性成果是多方面的。

其一，它首次突破了大深度大規(guī)模強(qiáng)作業(yè)能力ROV總體設(shè)計與建造技術(shù)，自主研發(fā)，攻克了大深度大功率作業(yè)型ROV驅(qū)動技術(shù)、功率分配技術(shù)、矢量推進(jìn)和控制技術(shù)、高清攝像與照明技術(shù)、機(jī)械手與工具作業(yè)技術(shù)等；采用模塊化集成設(shè)計，創(chuàng)新了集深海鉆探、觀測網(wǎng)布纜、巖石切割、樣品采集等多功能于一體的智能深海作業(yè)系統(tǒng)。除了少數(shù)密封件、高精度傳感器引進(jìn)自國外，“海馬”號部件種類的國產(chǎn)化率高達(dá)93%。

深海潛水器容易發(fā)生漏油、絕緣不好或電器通信不好等突發(fā)問題，需要在船上及時進(jìn)行現(xiàn)場處理。

過去進(jìn)口潛水器壞了往往需要花費漫長的時間等待國外的廠商寄來。

“海馬”號從控制軟件源代碼到執(zhí)行硬件，全面自主攻關(guān)，研制了遙控自動控制、伺服機(jī)械手和作業(yè)工具控制、遠(yuǎn)程動力和信號傳輸及絕緣、漏水和溫度檢測、姿態(tài)傳感和系統(tǒng)狀態(tài)診斷等ROV綜合控制系統(tǒng)，取得了大型ROV控制軟件著作權(quán)和諸多硬件專利，攻克了大型ROV 綜合控制系統(tǒng)核心技術(shù)，打破了國外ROV控制系統(tǒng)軟件不開放、大深度水下硬件對我國禁運的封鎖和國際壟斷。因為部件自主開發(fā)，所以出現(xiàn)問題不必等國外寄備件，基本可以由研發(fā)團(tuán)隊自己解決。

“海馬”號的團(tuán)隊具有軟件、材料、流體力學(xué)、機(jī)械、液壓、控制等各個領(lǐng)域的優(yōu)秀技術(shù)人才。

其二，由于水面以下每深入約10米即增加1個大氣壓，下潛至4500米水深處的“海馬”號ROV相當(dāng)于要在450個大氣壓力下工作，對系統(tǒng)的材料、結(jié)構(gòu)、運動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和諸多設(shè)備的密封等都提出了巨大挑戰(zhàn)。

研發(fā)團(tuán)隊設(shè)計了新型的深海壓力平衡系統(tǒng)，開發(fā)了智能壓力補(bǔ)償器，創(chuàng)新了線纜集束充油穿艙密封技術(shù)和充油動密封等技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)高壓密封的可靠性和穩(wěn)定性。

所謂“智能壓力補(bǔ)償器”，是針對很多設(shè)施充油時，在不同的溫度、壓力情況下，油的體積會收縮或膨脹，自動用來補(bǔ)油或?qū)⒁徊糠钟褪占饋硪跃S持壓力的裝置。

線纜集束充油管可使管道內(nèi)外壓力實現(xiàn)平衡，也方便靈活布線——把不同功能的線集中布放到那里面。

由于ROV是完全開放式的，所以靜密封、動密封、包括磨損、密封補(bǔ)償和環(huán)保等問題，都需要充分考慮。如因玻璃折射率的變化等原因，水下環(huán)境對攝像機(jī)鏡頭會造成與岸上空氣里不一樣的光學(xué)影響，如何使鏡頭做到既透明又密封且不易碎，是一個重要的攻克目標(biāo)。

在綠色環(huán)保方面，“海馬”號也堪稱深海裝備領(lǐng)域的一個表率——除了液壓系統(tǒng)用的是液壓油，許多充油系統(tǒng)用的都是食用級的礦物油，防止可能因泄露引起的海洋污染。

其三，“海馬”號最突出的性能是它的定點作業(yè)能力，這是其他的水下作業(yè)器械所達(dá)不到的。它的兩側(cè)各可搭載200公斤的鉆機(jī)，由此可實現(xiàn)在水下打鉆、取樣。

82歲的汪品先院士曾自述跟隨“蛟龍”號到達(dá)1000多米深的海底時，恨不得從深潛艙里伸出手去，拿個榔頭敲一下海底的巖石，現(xiàn)場做個地質(zhì)考察，看看它到底是什么成分。但由于載人深潛器的科學(xué)家在耐壓艙內(nèi)，加上復(fù)雜環(huán)境下的人員安全性問題，這不得不成為一個遺憾。而現(xiàn)場倘若有“海馬”號ROV，就可以采用各種工具獲取所需的樣品。

其四，為了解決工作母船在波浪作用下產(chǎn)生的升沉運動對ROV臍帶造成損壞甚至斷裂的技術(shù)難題，科研人員采用氣-液彈性技術(shù)，開發(fā)了大直徑非金屬導(dǎo)輪、蓄能補(bǔ)償、張力傳感監(jiān)測與控制等關(guān)鍵技術(shù)，在國內(nèi)首次成功研制了移動式ROV重型被動式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

其五，“海馬”號科研團(tuán)隊開發(fā)研制了系列化特種深海作業(yè)裝備，包括觀測網(wǎng)布纜裝置、采樣裝置、剪切器、清刷器、吸附器等ROV多種配套作業(yè)工具，以及深海水下攝像機(jī)、照明燈、傳感器等系列化設(shè)備，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，并為我國萬米載人潛水器“奮斗者”號、7000米“蛟龍”號和4500米“深海勇士”號載人潛水器提供了配套技術(shù)。這對我國深海大型ROV技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化起到示范和輻射作用，也將有力推動我國深?？茖W(xué)研究的進(jìn)程，并取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

深海調(diào)查成果豐碩

“海馬”號ROV完成研制后，由科技部組織進(jìn)行了嚴(yán)格的海上試驗，最大作業(yè)水深4502米，各項性能指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于任務(wù)要求。通過多年的工程應(yīng)用，取得了豐碩的深海調(diào)查成果。

2015年，廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局利用“海馬”號ROV，在南海北部海域發(fā)現(xiàn)了與天然氣水合物有關(guān)的冷泉系統(tǒng)，并將其命名為“海馬冷泉”。

2017年，“海馬”號ROV在西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)的6次下潛作業(yè)中大顯身手，取得了包括海底微地形、結(jié)殼類型、水文動力學(xué)和生物多樣性等多領(lǐng)域探查的豐碩成果，累計獲取結(jié)殼樣品336千克，并創(chuàng)造了中國第一個ROV搭載鉆機(jī)作業(yè)、第一個富鈷結(jié)殼厚度在線聲學(xué)原位探測等多項新紀(jì)錄。國家重點研發(fā)計劃在2017年已將“海馬”號作為國家級深海應(yīng)用平臺，開展國家科研設(shè)備的海上試驗和科學(xué)應(yīng)用。

2017年9月，“海馬”號ROV在太平洋維嘉平頂山采獲富鈷結(jié)殼樣品，抓到了重達(dá)62公斤的“鈷元寶”

水彈性力學(xué)與船舶力學(xué)專家、中國工程院吳有生院士曾經(jīng)呼吁，我國海洋裝備制造產(chǎn)業(yè)要從“注重造軀體”向“注重造內(nèi)臟與神經(jīng)”轉(zhuǎn)變，以發(fā)展綠色與智能技術(shù)和動力、配套與信息裝備技術(shù)為著力點。這也正是馬廈飛和他的團(tuán)隊努力的方向。

未來，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，水下機(jī)器人將向兼容性更強(qiáng)、智能化程度更高的方向發(fā)展，多媒體技術(shù)、臨場感技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在水下機(jī)器人中的應(yīng)用，可能打破各種類型水下機(jī)器人之間的界限，產(chǎn)生全新概念的水下機(jī)器人，而大型水下裝備的公管共用機(jī)制和平臺對我國海洋事業(yè)發(fā)展的作用，也更加迫在眉睫。