第436期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《海斗号》
讲座题目：透视新科技——海斗号
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：唐元贵，中国科学院沈阳自动化研究所研究员。
王 健，中国科学院沈阳自动化研究所研究员。
讲座时间：2023年3月6日～3月12日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——海斗号
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。上天、入地、下海，这是我国几代科学家的梦想。随着科技的不断发展，我国科学家已经开始了万米深渊的探索，这一切到底是怎么做到的？他们又实现了哪些突破呢？我们通过短片去了解一下。2020年6月8日，海斗一号全海深自主遥控水下机器人，在马里亚纳海沟成功完成首次万米海试与试验性应用任务。但其实早在2016年，海斗一号的前辈海斗号，就已经进入万米深渊中进行探索。准备起了啊！下潜万米对我国深渊科考是一次零的突破。海斗号的海试成功，是中国自主研制的水下机器人首次完成万米级深渊科考，同时也为海斗一号等其他深海装备研发带来了宝贵的经验。深渊科考不同于一般的海洋科考，不仅要在海底的极端环境下完成科考任务，还要面临不确定因素多、作业强度大等诸多困难。那么，海斗号都拥有哪些先进的科技手段？它在前往万米深渊的过程，又遇到了哪些困难呢？好，短片过后，欢迎回到我们的演播室当中。首先，我们给大家介绍下，我们今天请来的两位嘉宾，一位是我们中国科学院沈阳自动化所的唐元贵。唐先生，欢迎您！主持人好！观众朋友们，大家好！接下来一位，也是中国科学院沈阳自动化所的王健。欢迎王先生！主持人好！观众朋友们好！
特别想问两位一个问题，我们这个水下机器人为什么叫做海斗号？这个名字有什么特别的吗？海斗号其实它的全称是叫海斗号全海深自主遥控水下机器人。之所以叫这个名字，其实有三个层面的含义。首先第一点的话是，通常把6000米到11000米这样的海洋深度叫做海斗深渊，所以从它工作的环境和它面对的这一个挑战来说，我们取它为海斗。第二个方面，因为这个项目是由中国科学院战略性先导专项来支持的，这个专项的名字叫做海斗深渊前沿科技问题研究与攻关，所以说我们为了表示对这个项目的支持的感谢，我们取了海斗号。还有一个层面，就说这个斗字，我们首先第一反应就说它是个漏斗，而这个漏斗的形状呢，它恰恰反映了这个海斗深渊这么一个地质构造的一个形状。海斗号是它那个名字，全海深是说它的一个基本能力。也就是说，这款机器人可以覆盖全球所有的海洋深度，最大的深度可以达到（水下）11000米。
我们说这个海斗号呢，是新型的水下机器人，我们想知道这个跟传统（水下机器人）有什么区别？也就是说过去我们的科技水平制造这个机器人能达到什么水平？能干嘛？那新的又能干嘛？两位给我们解释一下。传统的水下机器人分为两类，遥控水下机器人和自主水下机器人。遥控水下机器人通过一根电缆与母船连接，获得母船的电力供应并传输信号。这样我们操作人员可以在水面，实时观察到水下环境并遥控操作。这根电缆，就像脐带对于胎儿一样至关重要，因此称为脐带缆。而受制于这根电缆连接，遥控水下机器人的活动范围有限。自主水下机器人呢？是一种由计算机控制，具有自动驾驶功能的潜水器，由于没有电缆连接，解决了作业范围受限的问题。但是由于计算机的自主感知和决策能力有限，目前还无法完成极端复杂环境作业和精细作业任务。在这种情况下，结合了自主和遥控两种作业模式的混合型水下机器人应运而生。我们就是取这两种水下机器人的概念和特点，融合成了这种混合型的水下机器人，我们把它叫做自主遥控水下机器人。它集成了上述两种水下机器人的部分的优点，在一个任务中我有可能一个单独类型的水下机器人，它无法实现，但是我还想要它这样做，要它那样做。而这时候呢，这种自主遥控模式的水下机器人，就可以实现上面两种传统水下机器人，在同一时间或者是同一条件下所无法实现的一些作业任务。
你比如说在我们这个广播电视行业当中用的话筒。过去我们传统的话筒是有线的，这个话筒它的好处就是，（虽然）拿不远，但是音质特别地好。有了无线话筒之后，你可以拿到任何角落，它的缺点就是有的时候会跑频，这个声音会失真。那我们新型的海斗机器人，它的特点就是既能保证话筒的音质，同时又能够按我们的要求去工作，是不是跟这个是有点类似？对，你举的这个例子很形象。我们将海斗号这类自主遥控水下机器人，简称为ARV。在光纤模式下，自主遥控水下机器人可以进行自主航行探测，也可以在母船上对它实时遥控、定点精细探测，并且进行高清视频直播，这两种方式是可以在线切换的。当在不携带光纤或者光纤中断的情况下，自主遥控水下机器人便会开展自主探测并自动储存海底作业数据，带回到海面。过去我在采访我们国家的这个，关于深潜设备的时候，海底深潜设备的时候，听说过一种叫做载人的深海的潜水器。那这个海斗号与这种载人的潜水器之间有什么区别？海斗号属于无人潜水器，靠自己的大脑完成控制或者接收人类指令，但是肯定是不可能载客的。载人潜水器可以搭载潜水员现场操控，通过观察窗直接观察外部环境，但是需要提供足够的人员活动空间和可靠的生命维持系统，这是两者的本质区别。
那我们就分别来说一说，无人潜水它的优势，包括成本等等这些方面，我们来比较一下。载人潜水器的话，它配备的作业能力会更强，因为它体积大了，它可以装载着一些其他的作业设备。而海斗号是非常小型的一个设备，就是水下机器人所应该搭载的那些（功能）设备，它都有所搭载。所以说这款水下机器人做到了小型化，就是为了要验证万米的关键技术。用无人潜水器来探索万米深渊，在我们国家之前还没有做，而且对万米（深渊探测）技术的掌握我们还不太清楚，所以在这个阶段我们用无人潜水器来探索万米（深渊探测）技术，它的风险相对较低，它所涉及到的建造成本、研制成本、还有研制周期都会短。那将来我们无人的探测设备，会真正取代载人的这种设备吗？我们引用哲学上的一句话，就是说存在就是合理的。因为在当前这个时代下，自主遥控水下机器人和载人潜水器，它在不同的应用场景都在发挥着它们不同的作用，因为它们各有各自的特点。随着机器人技术的发展，尤其是这种无人化和智能化水平的提升，在面向某些特殊的应用场景或是面向有风险的挑战，这种极端海洋环境的时候，自主遥控水下机器人将会发挥更大的作用。因为我们从事着这种行业，我们有信心也相信自主遥控水下机器人，在未来的领域里可能会发挥更大的作用。
短片当中我们也看到了，这个海斗号看起来不是像我们看科幻电影那样那么复杂，在设计这种潜水器的时候会注意到哪些因素？其实海斗号这个形体，它就像是一个竖高立扁的一个胶囊似的，这个形体的设计是有所考虑的，因为它和传统或者常规的水下机器人不一样。常规水下机器人的下潜深度可能是千米级，但是海斗号的话是要面对万米深渊，它在到达海底之前，它要穿过这个万米的距离，所以说这个形体的话就能保障海斗号，能够以最大的速度实现垂直面上的潜浮。可以保障它下潜的效率，从而把它更多的精力用到它在万米海底的探测和作业。另外的话，就是这种形体容易实现一个较好的稳定性，所以海斗号在万米海底的探测作业的时候，它的稳定性非常好，它就像个不倒翁似的。这个形体它的空间利用率很高，就是我们搭载了很多的设备，都可以涵盖到它这个空间里边。造型简练的海斗号两侧各有一个螺旋桨，这样的设计仿佛让它有了两条腿，不仅可以使它在海底完成水平方向的航行，还能为它的上浮或者下潜提供动力。在茫茫大海中，对结束作业返回至海面的潜水器进行回收是十分困难的。橙黄色是一种能见度极高且不易于被混淆的颜色，日常生活中被广泛应用于警戒及救生设备。为了实现海斗号的顺利回收，在设计海斗号外观的时候，同样选择了以橙黄色为主体，这样再借助于卫星大范围定位之后，母船上的科学家可以很快速的通过肉眼发现海斗号，并完成回收任务。
两位作为这个海斗号的科技人员，也给我们介绍一下，当初我们来研制海斗号，主要的用途是什么？其实海斗号是从2014年开始做的，经过多年的积累，我们在深海潜水器这个领域有了一些基础，我们从科研技术的角度分析，我们认为我们有能力来开展这项工作。所以当时海斗号要做的话，主要是两个目标，第一个的话，就是我们要勇敢地面对这个国际难题，面向国际深渊（探测）这个技术挑战，然后缩小我们国家同这个深渊科考先驱国家的一些差距。另外一点的话，就是我们国家有需求，因为我们不断地在提，我们要向深海深渊进军。而水下机器人这种高技术装备，是向这种深海或深渊领域进军的一个火车头。两位在说到海斗号的时候，就像夸自己的孩子一样，看到更多的都是它优秀闪光的一面，它突出的进步的一面，那它最突出的表现体现在哪些方面？海斗号万米下潜之后，我们获得了我们国家第一批的这个全海深的数据。这个数据非常宝贵，这为我们后边的潜水器的研制，也都提供了很好的数据支撑。在不同的科学家或者不同的用户眼里边，它体现的价值是不一样的。可能对于做物理海洋研究的科学家，他拿到这些数据之后，他可以反推海洋的一些数据或者反演它的一个过程，从而获得一些有价值的科学问题。比如说，我们可以预报一些天气的变化，预报一些这个水流在全球运动的一个过程。
我特别想知道，我们在研制海斗号的过程当中，整个测试是一帆风顺的吗？那肯定不会，当时可查阅的万米（深渊探测）资料实在有限，那面对已知的困难和更多未知的挑战，我们与海斗一起经历，共同成长。我们都经历了哪些困难？又取得了哪些成果？在前期研发过程中，限于试验条件我们无法完成全海深整机在线压力测试，在海试前具备试验条件后，我们就连续进行了两个月压力测试，直到开船那天的凌晨。然而，科学是不讲情面的，现实很残酷，我们的光纤通讯系统没有通过压力测试。既然光纤通信有问题，那么我们就不进行光纤通信，采用无人自主的方式下潜。自主下潜的目标深度是逐步推进的，8000（米）、9000（米）、10000（米），不断刷新我国潜水器的最大下潜深度记录，并最终突破万米在马里亚纳海沟成功坐底，为我们国家叩开了万米深渊的大门。反正我小时候放风筝，有一种担心线断了怎么办？收不回来怎么办？你们做这个海斗号会有这种担心吗？因为它是自主遥控水下机器人，就说它具备自主功能，也具备遥控能力。如果这根光纤它带着下去的话，我们可以通过这根光纤来实时地监控潜水器的状态，并且获得海斗号在万米海底所拍摄，或者所探测到的所有的数据。但是如果这根光纤要是断了的话，海斗号还可以切换到自主模式。就是说光纤断了，我不知道从哪儿断的，但是我海斗号本身我可以把它切断，我就不要这根光纤了，然后我就摆脱这根光纤的限制和束缚，它可以执行一些自主的使命，比如说我可以在这个点位上进行一定时间的悬停，或者是在这个点位进行一个定点的观测。所以即使光纤断掉，对于自主遥控水下机器人或对于海斗号来说并不是致命的。
在我们海斗号研制的过程中，我们有下潜失败的经历吗？有的，这个是有的。因为还是这样的一个事情，就是毕竟万米（深渊探测）是我们（国家）第一次做。海斗号是作（为）第一个吃螃蟹的，吃螃蟹可能就会付出代价，可能会被扎一下，这个惨痛的这种教训也是有的。在2016年我们完成了万米下潜，但是我们是自主模式下潜的，光纤这种ARV所具有的这种特殊的（水下作业）方式，我们还没有真正地实现。所以在2017年，我们是奔着这个目标去的，就是我要在光纤模式下实现全海深的下潜。在这个航次上海斗号也实现了，它实现了5次（万米）下潜，其中在最后一次万米下潜的时候，我们是光纤模式，海斗号在万米深渊海底进行了着底，并且在海底进行了坐底式的巡航探测。所谓坐底式，就是说我人在船上的显控中心来监控、来遥控它，通过这根光纤来遥控潜水器，在海底进行巡航探测，我沿着一定的方向，沿着一定的深度或者是高度来航行。这时候海斗号是和海底是有摩擦的，就是说海底是和它有接触的，而这个接触过程中对海斗号的安全也造成了影响，使得海斗号的抛载系统发生了结构上的变化，在执行抛载的时候没有完成，导致海斗号留在了马里亚纳海沟。对我们项目组来说，那是一个非常非常刻骨铭心的一个记忆，或者是一个历史。很难过这一天。对。
抛载系统位于海斗号的下方，有两块压载铁组成。压载铁，顾名思义就是给海斗号增加重量，使海斗号可以进行无动力下潜的铁块。这个看似不起眼的东西，学问却大得很。由于不同海域、不同深度的海水密度都不尽相同，潜水器在水中受到的浮力并不是一定的。因此每次下潜试验前，科学家都要根据所在海域以及所要下潜的深度，精确地计算出所需压载铁的重量。当海斗号搭载两块压载铁着底后，便会抛掉其中一块压载体，以中性的状态在海底航行作业。当完成使命需要返回海面时，另一块压载铁也将默默沉入深海，在深邃的海底见证中国（探索海底）深渊的足迹。能否成功地下潜以及上浮，压载铁的抛载至关重要。在海斗号海试过程中，曾出现过因为一个巨浪把压载铁打掉，使海斗号一直浮在水面，无法完成无动力下潜，而被迫提前回收的经历。2017年，海斗号也正是因为抛载系统的故障，导致它无法上浮，永远地留在了马里亚纳海沟沟底。那一次事件，成为了科研人员心中极大的遗憾。在总结失败的经验后，科学家们再次对技术难题发起了挑战。
然后说你们要升级，我在想你们有什么依据来去升级？就是这个升级，可能我们未来碰到的危险是我们无法想象的。可能我们升级了之后，还会有失败在跟着我们，你们也会有这种担心吗？我们通过2016年、2017年，那是8次的万米下潜，我们已经在心里有了这个底气了。2018年我们做海斗号的话，主要是做技术升级之后的一个科考应用。所以说那个技术升级的话，首先我们要解决安全问题，就是说我海斗号一定要保障我能够下到万米，我能够安全地返回，所以说它在自主的感知能力，还有应急处理能力方面有了很大的升级。第二个方面的话，就是海斗号的航行能力，刚才提到2017年的时候，海斗号是在海底是这么航行的，是贴底的。这种贴底的航行是有风险的，那我们就提升它的运动能力，就是说我离开海底，比如说我离开海底十米，我能够稳定地航行，我同样可以对海底进行探测，进行我所做的一切事情。所以说海斗号的运动能力，获得了很大的提升。在2018年，它也实现了一个大范围的巡航探测。另外一点就是海斗号，我们给它赋予了一个更加高清的摄像机，1080P的。随着（利用）这个高清的相机，可以通过光纤把它拍摄到的海底的高清的视频影像，实时地传输上来，我们是能够感觉到高清视频传输上来之后，我们对海底的认识，对深渊的探索，更加前进了一步。
任何一个学科的进步，一个科技的发展，都是一个综合学科进步，最后一个成果。也包括我们对海底深潜设备，这样的一个研制，才能够让我们更清（楚）地看到海底，更安全地返回到海面上。其他我们国内的这种（设备）发展是怎样的？对你们的帮助是什么？海斗号2016年实现万米下潜，其实它最大的一个作用就是它引起了，或者是带动了我们国内万米（深渊探测）这个技术领域，所涉及到一些关键部件的一个研究的热潮。2018年的海斗号国产化率显著提高，现在的深海科考中已经很难看到进口浮力材料的身影，另外海斗搭载的电池摄像机等都实现了国产化。这样的技术的话，对于保障或者是推进海斗号安全航行和作业的话都有很大的帮助作用。我们海斗号，它在技术层面的这个突破，都体现在哪些方面？在技术层面的突破有几个方面，第一个的话就是刚才提到的光纤，光纤技术在自主遥控水下机器人上来使用的话，这是它的一个特点，也是一个亮点。就是说通过这根光纤的话，它可以实现这种自主（与）遥控模式的切换，以及这种混合模式的实现。所以说有了这根光纤的话，海斗号就可以实现很多的功能。这种微细的光纤长距离、大深度的管理，这是一个非常典型的一个技术突破点。
在日常生活中，4G、5G、WiFi、蓝牙等无线通信技术无处不在，为我们生活带来了极大的便利。但是由于电磁波在水下衰减较大，这些技术在水下都无法建立有效的通信信道。而利用全反射原理的光纤通信其传输延迟，可以忽略不计，完全满足实时性。传输速率也可以达到Gbps（千兆比特每秒）Tbps（太比特每秒），也是远远满足高清视频传输的需求，我们就与国内技术团队合作，历经数年攻关，掌握了这项核心技术，海斗号在国内首次，国际上继美国之后第二个利用光纤微缆实现了全海深实时高速通信。那在海斗的引领下，目前全海深长距离光纤通信技术，已经在多个项目中推广应用。携带光纤下潜的其中一个难点，是如何防止它意外断裂。在大于6500米的深海中过长的钢缆，都会被自身的重量拉断。然而在万米深度下潜时，为了防止海水流动拉扯导致的光纤断裂，往往要用到4万米甚至更长的光纤，确保水下光纤作业时不会发生意外断裂。目前，安全可靠的水下通信技术，已经成为海洋装备应用必不可少的基础，微细光纤具有重量轻，成本低的优点，可以实现水下航行器的远程遥控，航行状态监测以及视频数据等大容量信息的远程传输，这些功能在无人水下航行器及水下光纤组网等领域被广泛应用。为了实现微细光纤的国产化，我国相关领域的科研团队历经多年，终于突破了全海深光纤有线通信关键技术，成功研制了全海深光纤传输系统，并在马里亚纳海沟首次实现了将万米海底的视频实时传输至水面。这标志着我国水下光纤通信技术取得重大突破，技术性也达到了世界领先水平。
随着我们这个万米技术验证平台通过之后，对于我们未来在研发潜水器，这会是一个什么样的概念，又起到什么样的作用呢？海斗号当时的定位是我用一个无人潜水器去做这个万米技术的探索，这个技术探索成功了，那它可以就为后续的潜水器这种大深度的，甚至深渊级的潜水器来提供技术支撑。当前我们正在做“十三五”国家重点研发计划的全海深无人潜水器的研制和海试，而且这款装备我们命名为海斗一号，已经实现了万米下潜。所以说海斗一号是在继承了海斗号的成熟的万米技术的基础上，又有了新的突破和发扬，主要体现在海斗一号它的功能更加丰富。海斗一号搭载了几乎水下机器人所能够搭载的所有的探测设备，而且它还有搭载了机械手。就是说海斗一号现在不仅能够探测，它还能够在海底作业，它利用机械手可以抓取海底的样品，可以抓取我们看到的沉积物，甚至可以看看我们发现的那些生物到底是怎么样的，所以说这种机械手的作业能力的提升，对于机器人这种能力提升是一个质的飞跃。另外的话就是海斗号，有11次的万米深潜的经验，随着海试经验、万米深潜的经验，对于我们后期从事这种水下机器人或者其他装备开展万米深渊（探索）的话，都是一个很好的传承。因为你只有在万米（深渊探测）的现场经历了这些事情，你才会对遇到的一些突发事件，做出灵活机动快速的响应。还有一点就是海斗号获得了一些非常重要的数据，这些数据在我们国家都是第一次拿到的，对于其他装备或者潜水器的下潜也都有很大的帮助作用。
可是人们会问，我们已经取得的这些数据和科技进步，它跟我们普通人的生活到底有什么关系，会不会也影响到其他科技领域呢？两位也可以帮我们展望一下。海斗号成功着底可以为我们解答一些日常疑问，比如在海洋最深处是有生命存在的。我们可以经常看到钩虾从我们摄像机前游过，物种不是很丰富，但是是有生命存在的。海斗一号具备覆盖全球所有海洋深度的能力，在面向国家重大需求的深海搜救、深海考古、水域安全防控、海底管道巡线等领域都有应用潜力，毕竟由浅入深难，由深入浅易。随着你们的技术不断地进步，你们的研究不断地深入，你觉得未来这个深海的研究，到底带给我们的是什么？那取得的这个科技成果，对我们的生活的真实影响，将会是什么样的改变？就像刚才提到的，其实这个海洋在地球上占着我们三分之二的这种地球的面积，其实我们对海洋的认知还非常少，我们现在利用潜水器装备所能够达到的海洋的这个面积，海底的面积也仅有5%，也就是说有绝大部分的海洋的海底，我们还没有探究。所以说我们可以利用水下机器人，这种高技术装备来进一步探索海洋。因为海底我们知道的不仅是生物资源丰富，而且矿产资源、物产是非常丰富的。随着我们这个陆地上一些资都枯竭，或者是资源开发利用的这个趋势的发展。海底或海洋里的资源的开发将会是一个非常有前景，或者是说非常有利于我们人类取得更大进步和发展的一个要素。
随着海洋的矿物质、海洋的石油、天然气的开采等，这些都给我们人类的日常生活带来了更大的便利。另外的话，我们一直在探究生命的起源，很多科学家也在推测，就说生命起源是来源于海洋。但是这样的证据或者这样的事情是需要经过科学严谨的（方式）来探索的，所以我们也希望借助水下机器人这样的装备，来开展海洋科学的研究，来为人类这种起源的问题或生命的起源问题来寻根问底。今天非常感谢两位科学家来到我们演播室，跟我们共同聊关于海斗号这样一个万米深潜设备的这样一个话题，也把我们的想象力带入了海底万米深处，正是因为有了你们的谈话，让我们更有科学依据去想象那里，认知那里。好，也祝福你们，祝愿你们的科研取得更大的成果！感谢各位收看我们今天的《透视新科技》。如果你想了解我们更多的节目，也可以下载央视频收看我们的其他节目。好，今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
