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世界首例 | 西湖大学仿生型潜水器成功下潜海底2000米做实验
学术研究
杨艺涵 公共事务部 2023年06月05日
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公共事务部

向海而兴,背海则衰。

对于这颗星球上的蔚蓝之色,人类无比敬畏,也充满好奇。千百年来,总有那么一小撮勇敢者,想尽一切办法潜入海底深渊探险。

崔维成是其中一位。

他曾任“蛟龙”号总体与集成项目负责人、第一副总设计师,曾于2012年搭乘“蛟龙”号在马里亚纳海沟下到7035米的海底,亲眼见证过荒芜的深渊。加入西湖大学后,他作为深海技术讲席教授,带领团队开拓第三代仿生智能机器鱼型潜水器。

“若要在潜水器领域继续保持国际领先,必须迈出这一步。”他说。

与崔维成并肩的,是工学院的另一位PI(特聘研究员、博导)范迪夏。这个刚刚从麻省理工学院回国的年轻科学家,聚焦实验流体力学和多栖仿生机器人的研究,比崔维成小27岁。

一老一少两个团队,在深海探险这件事上,有着同样高涨的兴趣。在他们的推动下——

2021年6月,“深海仿生型潜水器研发与产业化应用”项目正式立项。

2022年11月,首台自主研发的2000米级仿生鱼型无人潜水器样机在西湖大学云谷校区诞生,取名“西谷I号”。

2023年4月18~27日,“西谷I号”搭载“珠海云”科考船,在中国南海顺利完成了2000米级海上试验。

南海海试现场

“珠海云”号科考船回收“西谷I号”潜水器


此次南海实验,是世界范围内采用仿生结构驱动的潜水器在2000米深度的首次成功尝试,也标志着“西谷I号”成为目前深度最大,且真正具有深海作业能力的新一代仿生型潜水器样机。

“西谷I号”是如何做到的?崔维成与范迪夏团队,在广袤无垠的海洋“实验室”里,完成了一场怎样的实验?


师法自然,目标锁定蝠鲼鱼

大自然是最好的老师。

鱼,是海洋的“原住民”,遨游深海是它们最基础的本事。但只是长得像鱼还不够,在“西谷I号”设计之初,崔维成团队想做两件没人做过的事:

一是要做一条全仿生设计的鱼型潜水器,模仿真实鱼类,以胸鳍的摆动提供动力往前游。也就是说,潜水器的前进后退不再依靠传统的螺旋桨推进,而是完全由模仿胸鳍的侧翼煽动来实现。二是这条仿生鱼要具备实际应用能力,它不仅仅只是去深海里游一圈,还应该能够实现作业功能。也就是说,仿生鱼要能够悬停在海中,或坐底在海底,然后完成指定作业任务。

这些,是此前国内外潜水器都没能同时解决的难题。

研发团队早早地将仿生对象确定为蝠鲼鱼。蝠鲼鱼又名魔鬼鱼,扁扁的身体像一个大毯子,胸鳍肥厚如翼,尾巴细长如鞭。

身型扁平、行动灵活的蝠鲼鱼

如此特别的身型若能“嫁接”到仿生鱼潜水器身上,想必能够解决不少重要问题——扁平的身体带来敏捷的行动能力,游动效率有了保证;同时,这里还是一个理想的设备平台,扁平加上低重心的特点,让仿生鱼的“底盘”更稳,即便搭载很多设备也相对不容易倾覆。

就是这样,对自然最好的探险,便是成为自然本身。

仿生鱼潜水器的另一个优势,是把人类探索深海的“打扰”降到最低。像鱼一样,体型小巧,以“鳍”前行,仿生鱼潜水器产生的噪音和对水的扰动,远小于此前螺旋桨驱动的潜水器,可以胜任对生态环境保护要求较高的生态观测、取样、检测等工作。

问题来了:如何实现第一个研制目标,让潜水器以纯仿生的方式驱动,靠“鱼鳍”游起来?

这是研制过程中,研究团队遇到的最大难题。


从零开始,为潜水器配“鳍”

仿生鱼的侧翼,是整个潜水器模仿鱼鳍“游”起来的关键。

以“蛟龙号”和“奋斗者号”为代表,我国的第二代潜水器采用的是传统的螺旋桨驱动推进,其技术应用已经非常成熟,甚至达到国际领先水平。

即便如此,研究团队这一次想要的仿生设计,依然没有多少先例可循——没有多少参考文献和技术解决方案,没有可以学习的成品化装备,连零部件的供货商都很难找。“项目之初我们面临非常多的挑战,对于全新的仿生驱动设计也难免心存忐忑。”崔维成实验室助理研究员、“西谷I号”总设计师李伟琨说。

但是,基础科研本身就是不断在“无人区”探索。崔维成曾全程参与过“蛟龙号”项目研制,不止一次经历过这种“第一次”的挑战,具备丰富的深海装备研制经验;范迪夏的工程经验在年轻PI中也很突出。在两位导师的帮助下,研制团队从零开始自主设计。

从最简单的小鱼到蝠鲼鱼,团队围绕真实鱼类的鱼鳍,原创了“刚柔并济”的多层复合结构。

“西谷I号”俯视效果图


上图可以很清晰地看到“西谷I号”的一对侧翼。面积较小的黑色部分是刚性板,能提供足够的耐压能力,保证仿生鱼侧翼在深海里的正常运动;而面积较大的黄色部分则是非常重要的柔性板,是仿生鱼产生动力的结构基础。侧翼摆动过程中,通过在水中形成的漩涡产生向前推进的动力,实现潜水器的自主前进。

柔性材料在水中摆动后形成的涡流示意图


橙色与黄色两部分“拼”在一起,正好给仿生鱼潜水器安上了一对“鳍”。

别看这对“鳍”看起来普普通通,但其中注入的研发精力和科技含量却一点都不简单。

材料的选择是最关键的。柔性板部分,团队成员在众多材料中选择了高密度聚乙烯(HDPE),这是一种柔软而坚韧、耐腐蚀性好且能耐受大范围温差的塑料材料;至于刚性板,铝合金略胜一筹,让潜水器有更高强度且更轻量化,同时还能抵抗海水的腐蚀。

这两种不同的材料要怎么组合,才能赋予它“鳍”的功能呢?厚度、长度、形状、刚柔两种材料的面积占比……任何一个参数的变化,都可能对侧翼的推力产生影响,比如刚性比例过低或过高时推力都会下降。团队成员测试了多种参数组合产生的推力,试图找到理论上的最佳组合;同时考虑到深海环境中的可实现性和可操作性,最终选出了目前的组合方式。

在这个框架下,研制团队历时两年,进行了一系列流体结构相互作用、集成强化学习和深度学习等研究,并自主设计了包括智能实时控制、低延迟光通讯、电源管理、动态故障检测等配套软件系统,为潜水器在复杂水下环境中的可靠运行提供了保障。

无数次计算和调试,无数次试验和修改,纯仿生设计的仿生鱼潜水器“西谷I号”终于在他们的实验室里诞生了。

在进行水池试验的“西谷I号”


即插即用,极具想象力的“鱼肚”

侧翼的设计,解决了团队想完成的第一项创新——仿生。至于第二项——在水下具备多种形式的深海作业能力,同样是前所未有的挑战。

“在海底作业的前提是在海底停下来,目前‘西谷I号’已经具备了这个基础能力,之后按照实际需要在‘鱼肚子’上直接搭载实验或作业设备即可。”李伟琨介绍,“假设要开展海底采样,可以接入机械臂、采样篮,我们为此预留好了电源线和通讯线,即插即用。”

“西谷I号”的“肚子”就像一个强大的拓展坞,可以接入各种各样的实验设备,扩展它作为一条“鱼”的能力。畅想未来,“西谷I号”还有更多的潜力有待挖掘。

自然资源方面,它可以辅助完成海下勘探等工作,也可以配备声呐成像测扫设备,以更灵活、成本更低的方式描绘海底的地形地貌;生态保护方面,它可以完成珊瑚礁观测、生态修复工作的前期勘探;工程方面,它可以完成水下管道巡检等检修维护工作……

回到“西谷I号”本身,那两件没人做过的事,研究团队现在做到了,接下来想要做得更好。

第一件事,怎么才能像鱼一样游得更自然、更自在?怎么才能游向更深的深海?第二件事,有没有可能从一条鱼变成一群鱼,有没有可能从浅海到深海、再到更深的海沟,实现多层次、立体化的海下作业。


“大鱼”入海,2000米海试成功

2023年4月18日,南海天气晴好。

崔维成和他的团队成员搭乘“珠海云”科考船,开启了“西谷I号”的首次2000米级海上试验。

控制室里,所有人都屏息凝神地盯着控制室屏幕,等待仿生鱼一点一点下潜。

第一次下潜,失败。团队经验不足,加上海上天气突变,试验结束后,几乎所有人都吐了。

第二次、第三次、第四次,都算不上完美。

直到第五次下潜,“西谷I号”终于在深海2036米成功坐底,并自动采集、回传数据。

南海海试现场,西谷I号第5潜次布放前进行安全检查 


之后,“西谷I号”又一次顺利下潜到2022米,并完成了与中继器分离、在海底的仿生驱动巡航、成功回收等任务。

跟随潜水器控制界面录屏,感受一下深度突破2000米的瞬间


“西谷I号”采用了自主化设计,具有完整的知识产权,其制造、维护成本远低于当前常见的深海潜水器。两次完整作业深度超过2000米,标志着西湖大学仿生鱼研制团队具备了研发实际产品的能力,为未来深入研究和产品开发奠定基础。

值得一提的是,崔维成和范迪夏都没有担任“西谷I号”的总设计师,仅作为“指导员”参与项目,整个研制团队是一群人均95后的“新人”。

团队的6位脑力担当是西湖大学在读博士研究生,他们中的大部分人没有出海经验,很多东西都是加入团队后才开始学习的。“西谷I号”副总设计师,崔维成实验室博士生刘启蒙说,学院和学校是他们坚实的后盾,给了他们创新和试错的勇气。

2023年4月,南海海试成员合影

左起:王章源、李伟琨、孙博爱、崔维成、刘启蒙、陈林柯、胡志洋


从2021年6月获广东省海洋六大产业立项,到2023年4月海试,“西谷I号”经历了完整的方案规划、详细设计、设备和系统的压力筒验收、总装联调、水池试验、千岛湖试验、专项检测等工程实践环节。

“西谷I号”的背后,是一群充满好奇心的年轻人,在海洋中自由探索,于未知中寻找答案。

在他们眼里,再遥远的深海,也总有一天能顺利抵达。