風(fēng)能機(jī)器人“極地漫游者”

　　“雪雁”低空飛行機(jī)器人

 

　　南極，地球上罕有的至今未被開發(fā)的潔凈大陸，蘊(yùn)藏著無數(shù)科學(xué)之謎。今年2月8日，中國南極中山站附近的冰蓋上，一組紅色的風(fēng)車葉隨風(fēng)轉(zhuǎn)動，帶動一乘奇特的小車，在茫茫雪地里留下兩行清晰的轍印。由我國自主研發(fā)的風(fēng)能機(jī)器人——“極地漫游者”，就此“邁”出了第一步。

 

　　在前不久舉行的2013中國極地科學(xué)學(xué)術(shù)年會上，“極地科考機(jī)器人裝備”課題負(fù)責(zé)人秦為稼用視頻生動地展示了我國研發(fā)的首臺風(fēng)能驅(qū)動機(jī)器人在南極大陸試驗(yàn)的場景。南極科考機(jī)器人從雛形到試驗(yàn)，已經(jīng)歷了七八個春秋。秦為稼表示，我們將機(jī)器人定位于探測南極冰架這一命題，未來的突破將使全世界為之振奮。

 

　　特殊環(huán)境催生極地科考機(jī)器人

 

　　南極地區(qū)環(huán)境惡劣，東南極埃默里冰架南北長達(dá)500公里，面積近6萬平方公里。地表有冰裂隙，氣候條件極端惡劣，給科學(xué)考察帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。因此，引入高技術(shù)裝備，為更深層的極地科考尋找新的突破點(diǎn)，已成為迫切需求。機(jī)器人作為延伸科考能力的探測儀器，可具備漫游、觀測、采樣、分析等功能，對大范圍、深層次極地探測具有重要意義。

 

　　秦為稼告訴記者，當(dāng)初提出南極科考機(jī)器人概念的并不是極地專家，而是機(jī)器人專家。“對于他們的設(shè)想，我們的回答是肯定的。但是，起初對于南極科考機(jī)器人的功能和用途并不清晰。”

 

　　自2007年開始，由科技部主導(dǎo)的“極地科考機(jī)器人裝備”課題啟動，這也是我國高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）主題項(xiàng)目“特殊服役環(huán)境下作業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)”的課題之一，旨在針對南北極科考實(shí)際需求的多樣性，突破極地機(jī)器人在極區(qū)惡劣環(huán)境下所必需的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合高技術(shù)載荷的研制與集成，實(shí)現(xiàn)低空固定翼、超低空旋翼、長航程冰蓋漫游3種類型機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)樣機(jī)到實(shí)用裝備的跨越。同時(shí)，積極探索可再生能源及仿生水下機(jī)構(gòu)技術(shù)，研制新型極地科考機(jī)器人樣機(jī)，最終應(yīng)用于我國在南極的觀測和研究。

 

　　過去五六年里，極地科學(xué)家和機(jī)器人專家一直攜手合作。“專家們將機(jī)器人的使命和目標(biāo)定位在類似冰架觀測這種重大科學(xué)命題上。”秦為稼說：“冰架作為冰蓋和海洋的交匯區(qū)，是冰蓋與海洋共同作用的產(chǎn)物。冰架失去平衡，會對冰蓋和海洋產(chǎn)生重要影響，因而是南極氣候系統(tǒng)的重要組成部分。研究冰架，無論是從冰凍圈視角，還是海洋學(xué)視角，都是前沿?zé)狳c(diǎn)。但冰架到處都是冰裂縫，存在很大的安全隱患，人很難在上面大范圍自由活動，而這正是機(jī)器人的用武之地。”

 

　　冰架考察將實(shí)現(xiàn)陸空聯(lián)動

 

　　極地冰蓋—冰架—海洋相互作用，是全球氣候系統(tǒng)中人類了解最少的科學(xué)領(lǐng)域之一，對冰架底部融化機(jī)制和冰下海盆海洋過程認(rèn)知更少。秦為稼認(rèn)為，這主要是因?yàn)槿狈W(xué)科交叉與大科學(xué)集成，缺少關(guān)鍵技術(shù)手段。

 

　　“十一五”期間，經(jīng)過不同單位的聯(lián)合攻關(guān)，我國研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的用于極地科學(xué)考察在冰雪面移動的機(jī)器人和低空飛行的機(jī)器人，成功推出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；在此基礎(chǔ)上，在冰雪面移動機(jī)器人本體運(yùn)動機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)集成、環(huán)境感知及自主控制，飛行機(jī)器人低溫小型航空發(fā)動機(jī)、動力電池及低溫環(huán)境系統(tǒng)高可靠性等方面，取得技術(shù)突破，并完成了與科學(xué)載荷的集成實(shí)驗(yàn)。

 

　　據(jù)秦為稼介紹，可在冰雪面移動的機(jī)器人“極地漫游者”本體長1.8米，高1.2米，寬1.6米，重300公斤，能在風(fēng)能發(fā)電驅(qū)動下不間斷地晝夜行走，能跨越高度近半米以上的障礙物，并在冰蓋復(fù)雜地形下進(jìn)行多傳感器融合的自主導(dǎo)航控制，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)通過衛(wèi)星鏈路進(jìn)行遙控，未來可搭載大氣傳感器、冰雪取樣器、地理地質(zhì)分析器50公斤的任務(wù)載荷。

 

　　另外，在中國第26次南極考察中，低空飛行機(jī)器人在南極進(jìn)行了觀測試驗(yàn)，驗(yàn)證了其系統(tǒng)的可靠性。此次考察期間，課題組成員在南極應(yīng)用低空飛行機(jī)器人“雪雁”進(jìn)行了大范圍海冰觀測實(shí)驗(yàn)。“雪雁”飛行機(jī)器人翼展3.2米，最大起飛重量約24公斤，有效載荷8公斤，續(xù)航時(shí)間4小時(shí)，適合在冰雪面進(jìn)行起降。它搭載傳感器設(shè)備在南極中山站附近40公里海域內(nèi)累計(jì)自主飛行39個架次，獲得了清晰的海冰形態(tài)圖像和精確的海冰觀測數(shù)據(jù)，為極地海冰研究提供了重要數(shù)據(jù)。

 

　　“低空飛行的機(jī)器人和冰雪面機(jī)器人相互配合，缺一不可，成為冰架觀測的完美‘拍檔’。與大型飛機(jī)不同，低空飛行機(jī)器人飛行高度低，在幾十米到100米高度的上空都能進(jìn)行精細(xì)航拍。它如同戰(zhàn)場上的偵察兵，可以細(xì)致了解冰架整體情況。根據(jù)低空飛行機(jī)器人所收集的資料，可以對冰雪面機(jī)器人的活動方案、路徑進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃安排。地面機(jī)器人可以搭載雷達(dá)、光學(xué)儀器等做觀測。”秦為稼說。

 

　　據(jù)了解，目前我國已在南極進(jìn)行了5次南極考察機(jī)器人試驗(yàn)。

 

　　機(jī)器人未來或可深潛冰海

 

　　當(dāng)提及未來極地機(jī)器人將在我國極地科考中發(fā)揮的作用時(shí)，秦為稼表示，越來越多的極地科學(xué)家認(rèn)識到，機(jī)器人在極地科學(xué)觀測中有無法替代的作用。一旦冰架表面觀測完成后，便可去觀測水下。

 

　　秦為稼舉例說，如埃默里冰架為狹長的喇叭口形狀，外沿深度僅有四五百米深，而往里卻有2000多米深，如同一個瓶子，大頭在里面，小頭在外面。此外，南向陸坡呈現(xiàn)更大的傾斜角，致使冰架水腔處在海平面以下近3000米的位置，水腔后端的水體與大洋交換不暢，形成半封閉的狀態(tài)，也為突發(fā)事件提供了可能的自然條件。“黑暗的冰下極端環(huán)境是否呈現(xiàn)一個全新的世界，孕育著完全不同的生命物種和生態(tài)系統(tǒng)？這都需要我們?nèi)ヌ剿?，而如果只靠傳統(tǒng)方法根本行不通。

 

　　秦為稼有個大膽的假設(shè)，將來研制出水下極地機(jī)器人，可將它從普里茲灣放入海中，依靠最先進(jìn)的水下定位導(dǎo)航技術(shù)和最先進(jìn)的通訊技術(shù)，使其進(jìn)入到埃默里冰架最深處，完成發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測這兩大命題，去探尋未知物種，進(jìn)行水下攝影、攝像，甚至還可能擁有“蛟龍”號般的機(jī)械手，可以抓取樣品。另一方面，還可進(jìn)行物理學(xué)的觀測，比如冰架里外的水是如何交換的，海流的流場情況如何，溫度和鹽度又是怎樣等等。

 

　　秦為稼告訴記者，極地科學(xué)有賴于自然科學(xué)與高新技術(shù)的并進(jìn)與融合，他們將力爭取得具有突破性、創(chuàng)新性的成果，這一切努力還僅僅是開始。

 

　　關(guān)鍵技術(shù)自主研發(fā)仍待突破

 

　　秦為稼說，綜觀國內(nèi)外極地機(jī)器人研究現(xiàn)狀，我國已與該領(lǐng)域的世界強(qiáng)國處于同一水平，在部分極地機(jī)器人裝備及應(yīng)用研究方面已走在世界前列。但他也坦言，無論是對新事物的態(tài)度還是關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)，我國在極地機(jī)器人的研究方面都存在很大提升空間。

 

　　“當(dāng)我們剛開始研究極地機(jī)器人時(shí)，美國最高級別的工程學(xué)雜志就敏銳地察覺到了，并向我們約稿，可見他們對于創(chuàng)新科技的態(tài)度。作為現(xiàn)在的課題負(fù)責(zé)人，我體會特別深的是，國內(nèi)新技術(shù)的研發(fā)環(huán)境還不是特別理想，我們不能總是懷疑新事物、而是要鼓勵新的探索和研發(fā)。”秦為稼說。

 

　　從技術(shù)角度講，極地機(jī)器人還屬于技術(shù)集成范圍，即把現(xiàn)成的組件拿在一起進(jìn)行組合集成。秦為稼說：“如我們使用蘋果手機(jī)打電話時(shí)，為了省電，安裝了距離傳感器，靠近人臉便可自動黑屏。與蘋果手機(jī)里的距離傳感器之類的高級元器件類似，極地機(jī)器人上游的一些高級元器件和技術(shù)，我們都是依賴進(jìn)口。但國際上最高技術(shù)水平的產(chǎn)品是不可能對外銷售的。而這些也是我們急需突破的瓶頸。”