創新故事丨水下機器人“海龜”誕生記

科技日報記者 朱虹

近日，在南海的晨光中，一台直徑約70釐米的水下機器人以優雅的弧線潛入碧波。它緊貼海底，距珊瑚礁盤僅幾釐米，輕巧遊動，四周沉積物只泛起細微漣漪。即便魚羣突然掠過，它也能靈巧扭動，從縫隙中穿梭而過，宛如海底飛盤般敏捷。

這是哈爾濱工程大學船舶與工程學院王剛教授團隊研發的敏捷型水下機器人“海龜”的真實工作場景。它不僅實現了近海底環境觀測的釐米級突破，更以靈動身姿顛覆了傳統水下機器人“笨拙”“僵硬”的刻板印象，開啓一個更加精準、高效、環保的水下探測新時代。

沉積物干擾降低90%

“我們的深潛器每次抵達海底，都要先等沉積物散去才能工作，這個過程需要很長時間。”在一次學術會議上，王剛聽到這句抱怨時，職業敏感讓他心頭一震。

在水下機器人領域深耕十餘載，王剛深知傳統底棲機器人地形適應能力弱，螺旋槳攪起的泥沙會破壞海底生態，更讓觀測數據蒙上“迷霧”。而全球珊瑚礁正以驚人速度退化，受限於暗流與深度，潛水員每年僅有兩次觀測時間窗口，且無法觸及深水區，然而傳統水下機器人觀測效果又不盡如人意。

王剛團隊將目光投向海洋生物，仔細研究了數十種海底動物後，從海龜的推進方式中找到了靈感。團隊成員劉開鑫回憶：“我們發現海龜傾斜拍動前肢的推進方式，既能減少水體擾動，又能保持高效推進。”

將這一生物特性轉化為技術方案並不容易。“在設計過程中，我們發現機器人的形狀和推進器佈局都會影響其上升速度，但無前例可借鑑。”劉開鑫説。

團隊決定利用數學方法來探究其內在原理，建立機器人、推力和速度之間的數學模型。“這個模型不僅為珊瑚觀測機器人提供了量化依據，而且對於其他有類似需求的水下機器人也具有參考價值。”王剛解釋道。

在隨後的半年多時間裏，團隊經歷了無數次失敗後，最終推導出了機器人低擾動航行性能與推進器佈局以及機器人外形參數之間的數學公式。當電腦屏幕上顯示出性能提升的曲線時，整個實驗室都為之沸騰。

這一公式為科研人員提供了極大的便利。在研發初期，他們就可以通過這一公式預測並確定機器人構型的低擾動性能，無須在實際機器人上進行反覆試驗驗證。這極大地提高了研發效率。

對比試驗中，傳統水下機器人靠近海底時激起半米高的泥沙雲，而“海龜”機器人憑藉其精準佈局的推進器，幾乎在航行時不泛起漣漪，沉積物干擾降低了90%。

這項成果讓國際同行驚歎：原來水下觀測可以如此“温柔”。

穩定性提升7.16倍

2022年寒冬，實驗室裏迴盪着金屬撞擊聲。劉開鑫手握佈滿劃痕的傳感器外殼，盯着屏幕上劇烈波動的數據。當4公斤配重突然撞擊機器人時，機器人一邊前行一邊下墜，直到觸底。他調大了參數，但機器人頻繁點頭，波動實驗也因觸底而宣告失敗。

傳統水下機器人在航行過程中需保持一定高度，以應對突發事件。然而，“海龜”機器人需為珊瑚觀測服務，必須貼近海底工作，距離珊瑚不超過1米，以便準確捕捉顏色細節。這要求機器人必須具備超高靈敏度，能夠瞬時調整姿態。

“就像站在圓球上保持平衡一樣，前傾或後倒仍能保持穩定，是因為我們能感知到變化。”王剛解釋説，團隊需要讓機器人學會這種瞬時感知，以確保在貼地飛行時不會觸底發生意外。

想要提高機器人對外界的感知能力，計算角加速度是一個很有效也很直接的手段。但直接獲取角加速度需要進行微分，這個過程不可避免會放大傳感器噪聲。在傳感器回傳頻率為200赫茲時，微分操作會將噪聲放大200倍。在一次例會上，王剛用粉筆在黑板上畫出誤差傳遞鏈，團隊意識到必須徹底顛覆測量架構。

轉折發生在幾天後。劉開鑫突發靈感：如果將測試點移至機器人兩端，並用半徑乘以切向加速度，是否可以直接獲得角加速度？加上中心點的測量，他稱之為“三點慣性測量感知方法”。王剛決定：“立即搭建驗證平台！”

團隊迅速將這一創意付諸實驗。他們將機器人放在桌面上，輕輕拍動桌面。雖然力度很小，但在屏幕上顯示了傳感器傳來的波動數據。王剛説，搭載了三點慣性測量感知方法的機器人相比傳統控制方式，數據噪聲降低了約76.2%，響應時間縮短了1.1倍，傾角控制的穩定性提升了7.16倍。此外，機器人還採用了角加速度反饋控制，能夠儘可能靠近海底而不觸底。

在隨後的載荷實驗中，“海龜”機器人在面對4公斤的衝擊載荷時，能夠瞬時向上傾斜以補償失位情況。無論是衝擊載荷還是連續載荷，它都能在0.45秒內完成姿態修正。

姿態可調整360度

海底環境複雜多變，凹凸不平，障礙物眾多。如何使機器人持續貼底並近距離運動，即使在崎嶇地形中也能靈活穿梭？這一難題困擾團隊許久。

傳統水下導航依賴“定點跟蹤”模式，就像地面車輛按既定路線行駛。“它們只能前進、後退、上升、下降，如果我們想讓它在一個狹小的縫隙間側身穿過，就必須在算法上進行革命性創新。”王剛説。

團隊成員提出，將機器人的姿態信息融入算法中。這一改變或許能讓機器人像章魚觸手般靈活，實現360度自由調整姿態。

王剛解釋：“如果説傳統水下機器人的跟蹤算法就像僅靠一根手指指引方向，姿態信息則如同手腕，使機器人實現全向旋轉。”

經過半年攻關，團隊成功在跟蹤算法中引入了姿態約束算法，使航行器姿態與環境碰撞關係深度融合，從而大大提高了機器人的敏捷性。這一創新成果被國際期刊《自然·通訊》雜誌讚譽為“開闢了敏捷型水下機器人的新方向”，使近海底環境觀測距離達到了釐米級別。

那麼，敏捷型機器人到底有多敏捷呢？團隊通過一場“水下雜技”表演為我們揭曉答案。

在實海測試中，科研人員在海底設置了一個寬度1米、高度0.8米的異形框架，讓懸掛繩索的“海龜”機器人在該框架上完成打結任務。這對於寬度0.93米的“海龜”來説，是一項極限挑戰。然而，“海龜”機器人卻從容不迫，迅速完成了一系列動作，整個過程僅用時3分鐘。

看到這一幕，行業專家對這個“國際首台敏捷型”水下機器人交口稱讚。“海龜”機器人360度的靈活運動，成功突破了水下航行器在海底複雜地形全域機動的技術瓶頸。專家們認為，“海龜”機器人不僅能用於觀測珊瑚，還能在水下捕撈、搜救等方面發揮重要作用。

目前，團隊正在為“海龜”機器人增添更多功能。他們計劃為其搭載微距攝像頭，以捕捉珊瑚蟲的呼吸動作；並配備機械臂，使其能定點駐留觀測，變成一個“海底監控站”。王剛對“海龜”機器人的未來應用充滿期待。比如，在深海採礦中，“海龜”機器人可以多台協同作業，通過搭載大模型精準定位礦源，既提高開採效率，又保護海底生態。