鍛造“攻深探盲”的“火眼金睛”

    ■走在教育強國大路上 支撐高水平科技自立自強    

    ■團隊研制出的深?？煽厥娇梢暬蓸悠鳎黄屏宋覈F(xiàn)有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統(tǒng)的功能局限性，將精確探測和精細采樣有機集成，填補了我國深海精細采樣的技術(shù)空白，為我國實施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備

    ■科研項目要面向國家重大需求，攻克共性基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)難題，這樣才能做出大成果    

不久前，清華大學(xué)自動化系宋士吉教授團隊研制的深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞔钶d“大洋號”科考船，在西南印度洋合同區(qū)2539米水深處，成功抓取了塊狀玄武巖地質(zhì)樣品，并獲得了近底高清視頻資料和環(huán)境數(shù)據(jù)。而此前，該設(shè)備已搭載“大洋號”，先后完成2500米、4500米深海底試驗。

2015年，清華大學(xué)自動化系宋士吉團隊提出的“深?？煽厥娇梢暬蓸悠麝P(guān)鍵技術(shù)研究與樣機研制”獲批為國家自然科學(xué)基金委重大科學(xué)儀器研制項目。8年多來，團隊圍繞“精準”和“智能”技術(shù)開展工作，研制出的深海可控式可視化采樣器，突破了我國現(xiàn)有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統(tǒng)的功能局限性，將精確探測和精細采樣有機集成，具備交互式作業(yè)、精確運動控制、熱液異常智能搜索等功能，填補了我國深海精細采樣的技術(shù)空白，性能達到國際先進水平，為我國實施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備。

    創(chuàng)新突破，在智能化和一體化上下功夫

深海蘊藏著豐富的礦產(chǎn)和資源，隨著各國紛紛向深海挺進，深海裝備的自主研發(fā)能力和水平成為各國競爭的焦點。

長期以來，深海資源探測開發(fā)設(shè)備的研制面臨著關(guān)鍵技術(shù)難題多、挑戰(zhàn)性大等困難，集中體現(xiàn)了一個國家科技實力和高端制造業(yè)的水平。

而走上深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯难兄浦罚瑢λ问考獊碚f，是偶然更是必然。

2012年暑期，宋士吉作為中國大洋事務(wù)管理局信息系統(tǒng)領(lǐng)域的責(zé)任專家，隨同“大洋一號”科考船進行科學(xué)調(diào)查。在深?！盁嵋簠^(qū)”探測過程中，宋士吉發(fā)現(xiàn)，每次都是先把“拖體”下放到海底進行大范圍探測，找到熱液異常點位置后，再放“抓斗”下去采樣。

“正如刻舟求劍一樣，在拖體探測到的熱液異常點上設(shè)備無法完成采樣，需要依賴船舶動力定位系統(tǒng)和人工操作經(jīng)驗，反復(fù)調(diào)整船舶位置才能找到被探測到的熱液異常定位點，完成這兩個過程非常耗時，經(jīng)常需要持續(xù)尋找數(shù)小時甚至更久；而在抓斗進行抓挖的過程中，由于海底地形復(fù)雜，容易抓空或者翻倒，多次嘗試才能采集到滿意的地質(zhì)樣品，嚴重制約了科考作業(yè)的效率和樣品質(zhì)量?！彼问考f。

如何才能使探測和采樣兩種作業(yè)一次性完成？如何實現(xiàn)智能搜索和智能采樣，提高深海作業(yè)效率并減少人工操作帶來的一些偏差？

宋士吉團隊著力在智能化和一體化方面下功夫。

“我們研制的深?？煽厥娇梢暬蓸悠?，具有小范圍自主移動的功能，重點突出作業(yè)過程的一體化和智能化，即能夠根據(jù)探測到的海底熱液異常信息自動調(diào)整搜索路徑，能夠快速定位硫化物礦噴口區(qū)或熱液異常區(qū)，同步進行精準采樣作業(yè)?！彼问考f，而且在大范圍探測和精準采樣過程中，實現(xiàn)了海底作業(yè)的可視化，母船甲板監(jiān)控端能夠?qū)崟r監(jiān)測到海底地形、環(huán)境信息及采樣器作業(yè)過程的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。與國外先進的深海采樣器相比，該設(shè)備也具有明顯優(yōu)勢：一是海底作業(yè)過程在線智能搜索目標(biāo)；二是采樣過程的智能操控作業(yè)；三是采樣器還具備一機多能的特點。

2019年8月，該設(shè)備在南海海域進行了第一次海試，下潛到2500米時出現(xiàn)故障，團隊及時更換了采樣器水下驅(qū)動艙部件，繼續(xù)進行水下試驗工作。2020年1月，設(shè)備搭載“大洋號”科考船在西太平洋海域進行了第二次海試，在2500米和4500米兩個深度的海底分別成功抓取了海底礦產(chǎn)樣品。

    學(xué)科交叉，助力深海調(diào)查設(shè)備原始創(chuàng)新

重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域。海洋裝備研發(fā)是典型的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。在深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯难兄浦?，人工智能、深海探測、機械制造等眾多學(xué)科領(lǐng)域凝聚合力，最終促進了采樣器的成功研發(fā)。

宋士吉解釋，深海探測面臨著很多難題，一是海底靜壓大，6000米深水區(qū)的壓力為60兆帕，相當(dāng)于在每平方厘米面積上施加了600公斤重的壓力。重壓之下，儀器設(shè)備的運動、探測、抓取等精細動作更難上加難，因而對儀器設(shè)備材料的抗壓性能要求極高。二是深海環(huán)境對海底設(shè)備的各種電子接插件的水密性要求高。三是精準識別熱液異常并圈定硫化物礦產(chǎn)資源區(qū)需要精準獲取、識別并評價地震、電磁、巖石物理模型等地質(zhì)資源數(shù)據(jù)，對設(shè)備的智能化要求高。

“深海環(huán)境惡劣、環(huán)境干擾大，樣本數(shù)據(jù)少、信號微弱……在采樣器智能化的研發(fā)道路上，每一步都是前人未走過的路?！眻F隊核心技術(shù)成員、清華大學(xué)自動化系副教授黃高說。

從2009年開始，黃高就加入了團隊，從項目論證、申請到研發(fā)、海試，全程參與了采樣器的研制工作。

如何克服海底環(huán)境的不利影響，實現(xiàn)更加精準的智能識別、跟蹤、精準采樣？

“我們重點從兩個方面攻關(guān)，一是智能感知，通過擴增數(shù)據(jù)樣本、模型預(yù)訓(xùn)練等方式，不斷優(yōu)化智能系統(tǒng)，目前已實現(xiàn)深海常見物體80%的檢測準確率，實現(xiàn)了質(zhì)的提升。二是智能決策，逐步提升模擬環(huán)境仿真分析的準確性，使采樣器能夠準確判斷是否為海底硫化物熱液噴口或特征異常區(qū)，并根據(jù)羽狀流物理異?；蚧瘜W(xué)異常信息進行實時跟蹤與定位?！秉S高說。

深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯某晒ρ兄?，也離不開上海交大水下工程研究所在總體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及系統(tǒng)集成研究方面的貢獻，以及廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境國家重點實驗室在深海調(diào)查領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗……

“特別是在重大裝備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，學(xué)科交叉融合是重要的突破口?！彼问考f，尤其是像我們的深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯难兄?，屬于國家重大科學(xué)儀器研制項目，有重大工程驅(qū)動和明確的國家需求和牽引，在研發(fā)過程中，不僅解決了實際應(yīng)用中的問題，也從真實需求中提煉科學(xué)問題，促進了學(xué)科的發(fā)展。

    “要做就要比國外做得好”

深海蘊藏著地球上未被認知和開發(fā)的寶藏。進入21世紀，深海技術(shù)已成為世界各國的重點發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。

“深海競爭實質(zhì)上是綜合國力和高技術(shù)能力的競爭，深海高新技術(shù)集中體現(xiàn)了一個國家的綜合技術(shù)實力?！彼问考f，以深海硫化物礦區(qū)探測為例，目前全球已探測出250多個深海硫化物礦區(qū)，據(jù)科學(xué)家估計，仍有一半未被人類探測到。深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯壬畈抠Y源探測核心裝備的自主研制成功，為我國實施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備，為我國資源能源安全保障體系提供了有力的技術(shù)支持。

“實踐出真知，科研項目要面向國家重大需求，攻克共性基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)難題，這樣才能做出大成果?！眻F隊資深專家、中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系教授吳澄說，“我們承擔(dān)的科研課題，一定是選擇具有重大意義的、有挑戰(zhàn)性的、國家發(fā)展亟待解決的技術(shù)難題，而且要做就要比國外做得好?！?/p>

談及深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯某晒ρ邪l(fā)，吳澄認為：“一是研究方向的探索，要契合國家需求并具有挑戰(zhàn)性。二是理論聯(lián)系實際，要緊扣工程實際需求，提煉并解決科學(xué)和技術(shù)難題。再就是多學(xué)科、多團隊的精誠合作。”

近期，團隊在采樣器設(shè)計上又進行了升級，增加了機械手采樣工具，在抓斗“精確抓取”地質(zhì)樣品的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了“精確撿取”的功能。在系統(tǒng)設(shè)計方面采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動抓斗和機械手，如遇被卡住的情況，將實現(xiàn)上下模塊自動分離，保留設(shè)備核心模塊并及時把采樣器回收至甲板。

“深海技術(shù)未來一定是走向智能化和無人化的。”宋士吉說，長航時、超高速、智能化、無人潛水器技術(shù)和深海高精度、低能耗、小型化的聲、光、電、磁等新原理傳感器等，將是未來的發(fā)展方向和競爭焦點。

《中國教育報》2024年08月14日第1版