幾個(gè)月前《IEEE Spectrum》的特約編輯Evan Ackerman來(lái)到了美國(guó)宇航局用于訓(xùn)練宇航員的泳池，去看Houston Mechatronics公司制造的機(jī)器人潛艇Aquanaut，它可以熟練的在水中變成人形。

 

　　Aquanaut的外表是明亮的橙色，造型就像一艘微型潛艇一樣。從外表看來(lái)，它和其他無(wú)人駕駛水下機(jī)器人沒(méi)什么不同，但它內(nèi)部配備了用于手機(jī)數(shù)據(jù)的傳感器和用于前進(jìn)的推進(jìn)器。

 

　　Aquanaut代表了一種全新的設(shè)計(jì)，它的創(chuàng)造者Houston Mechatronics公司希望Aquanaut能夠徹底改變海底機(jī)器人技術(shù)。

 

　　一、水下機(jī)器人變形過(guò)程類(lèi)似變形金剛

 

　　Aquanaut變成人形的過(guò)程就像電影《變形金剛》中的場(chǎng)景一樣，機(jī)器人外殼的頂部升起，從兩邊展開(kāi)兩條巨大的手臂，一個(gè)裝滿(mǎn)傳感器的楔形頭旋轉(zhuǎn)到位，在幾秒鐘內(nèi)，轉(zhuǎn)變就完成了。這時(shí)，原本光滑的潛艇已經(jīng)變成了一個(gè)半人形的機(jī)器人，準(zhǔn)備開(kāi)始工作。

 

　　Evan Ackerman進(jìn)入了泳池，感受失重狀態(tài)下的漂浮，只有任務(wù)控制中心可以通過(guò)耳機(jī)與他溝通。離他不遠(yuǎn)的地方有兩名宇航員正在練習(xí)太空行走，可是他沒(méi)有精力去參觀太空訓(xùn)練的過(guò)程，他此行的主要目的是來(lái)看水下機(jī)器人Aquanaut。

 

　　傳統(tǒng)的無(wú)人水下機(jī)器人通常分為兩類(lèi)，于遠(yuǎn)程測(cè)量任務(wù)的魚(yú)雷式自由游動(dòng)潛水器，以及用于支撐船只并用于水下操縱的四方形遠(yuǎn)程遙控機(jī)器。Houston Mechatronics希望能將這兩種模式組合成一個(gè)機(jī)器人，這是一個(gè)前所未有的大膽嘗試。

 

　　Aquanaut的設(shè)計(jì)主要是為海底石油和天然氣裝置提供維修服務(wù)，這些裝置需要擁有和運(yùn)營(yíng)這些設(shè)施的公司花費(fèi)大量資金來(lái)檢查和維護(hù)它們。在海底的極端工作環(huán)境中，他們所依賴(lài)的機(jī)器人技術(shù)幾十年來(lái)從未發(fā)生過(guò)根本性的變化。

 

　　Houston Mechatronics的75名員工中，有超過(guò)24名曾經(jīng)為NASA工作過(guò)，在極端環(huán)境下爆發(fā)創(chuàng)造力就是他們擅長(zhǎng)的。Houston Mechatronics的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Nic Radford曾在休斯敦的美國(guó)宇航局約翰遜航天中心從事高級(jí)機(jī)器人項(xiàng)目工作14年。他說(shuō)：“進(jìn)入水下比進(jìn)入太空更困難，太空是一個(gè)原始的環(huán)境，而水下的事物是非常動(dòng)態(tài)的，我沒(méi)辦法定論在機(jī)器人在水下工作比在太空中難10倍還是50倍。”

 

　　Aquanaut可以從一艘專(zhuān)為遠(yuǎn)距離巡航設(shè)計(jì)的靈活潛艇變成一個(gè)能夠執(zhí)行復(fù)雜操作任務(wù)的半人形機(jī)器人。以下是機(jī)器人變化的過(guò)程：

　　1. Aquanaut以簡(jiǎn)化的潛艇模式前往海底工作場(chǎng)所。

 

　　2. 一旦機(jī)器人到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，其船體的頂部就會(huì)上升，暴露出兩個(gè)巨大的手臂和一個(gè)楔形的頭部。

 

　　3. 頭部攜帶立體攝像頭，3D傳感器和聲納系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)到位。

 

　　4. 機(jī)器人展開(kāi)其強(qiáng)大的手臂，配備力傳感器和爪式夾鉗。

 

　　自2014年Houston Mechatronics成立以來(lái)，Nic Radford和其他聯(lián)合創(chuàng)始人Matt Ondler和Reg Berka已經(jīng)籌集了超過(guò)2300萬(wàn)美元的風(fēng)險(xiǎn)資本。

 

　　二、Aquanaut可遠(yuǎn)程控制修復(fù)深海裝置

 

　　我們所看到和聽(tīng)到的關(guān)于海上石油和天然氣工業(yè)的大多數(shù)工作都是在平臺(tái)上完成的，人們?cè)谄脚_(tái)上從海面進(jìn)行水下鉆探作業(yè)。 平臺(tái)是整個(gè)過(guò)程中最明顯的部分，但海床上也有大量復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。

 

　　Nic Radford說(shuō)：“把機(jī)器人放在偏遠(yuǎn)的地方，讓它們?cè)趪?yán)酷的數(shù)據(jù)環(huán)境中做有用的工作，最適合這個(gè)大問(wèn)題: 離岸工作。”

 

　　海底的井口由金屬組件覆蓋，用于控制碳?xì)浠衔锪飨虻乇怼?這些結(jié)構(gòu)覆蓋著管道、閥門(mén)、歧管、和儀表，有些有四層樓那么高，通常被稱(chēng)為“圣誕樹(shù)”。

 

　　為了對(duì)井口進(jìn)行日常維護(hù)，或者改變井的輸出，必須轉(zhuǎn)動(dòng)“樹(shù)”上的一些閥門(mén)，而且在300米以下的深水井中，潛水員通常無(wú)法進(jìn)行操作，唯一的方法是使用機(jī)器人潛水器。

　　幾十年來(lái)，在深水油井上工作的既定程序一直是向油井地點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程操作的水下航行器（ ROV）。 但是，除了發(fā)送ROV本身，還必須派遣一艘載有訓(xùn)練有素的人員的大型輔助船只作為ROV的操作基地，ROV幾乎或根本沒(méi)有自主權(quán)，需要通過(guò)水面人員的操作獲得動(dòng)力和控制，這項(xiàng)工作非常昂貴，每天要花費(fèi)數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)美元。

 

　　Houston Mechatronics的計(jì)劃是減少水下機(jī)器人對(duì)水面控制的需求，Aquanaut不需要纜繩或支援船。它將以潛水艇模式前往其深海目的地，在那里它將變形為人形，展開(kāi)手臂進(jìn)行工作。Aquanaut的每個(gè)手臂都裝有力矩傳感器，并有八個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，類(lèi)似于人類(lèi)手臂。

 

　　Aquanaut上的機(jī)械手臂還有能夠轉(zhuǎn)動(dòng)水下“圣誕樹(shù)”的閥門(mén)，甚至可以操作機(jī)器人在內(nèi)部有效載荷艙中攜帶的專(zhuān)用維護(hù)工具。

 

　　Aquanaut將執(zhí)行由人工操作員監(jiān)督但不直接控制的任務(wù)。 任務(wù)完成后，機(jī)器人將自動(dòng)返回。Nic Radford表示，這種方法將使Aquanaut的部署速度更快，運(yùn)營(yíng)成本也比現(xiàn)在的ROV更低。 他估計(jì)，成本可能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)市場(chǎng)價(jià)格的一半。

 

　　經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的迭代設(shè)計(jì)后，Aquanaut終于誕生了，但在真正進(jìn)入海底工作之前，它還需要在更加可控的條件下證明自己，這就意味著Aquanaut還要在NASA的泳池里先練習(xí)“游泳”。

 

　　美國(guó)宇航局中性浮力實(shí)驗(yàn)室（NBL）可以容納2350萬(wàn)升水，最大深度為12米，足以容納國(guó)際空間站大部分的全尺寸模型。2019年3月下旬，Houston Mechatronics已經(jīng)部分接管了NBL，來(lái)測(cè)試Aquanaut。

 

　　在水下10米處，Evan Ackerman背著兩個(gè)氮?dú)夤?，在水中跟蹤機(jī)器人。到目前為止，Aquanaut已經(jīng)順利進(jìn)行了8天的測(cè)試，唯一的問(wèn)題是手臂出現(xiàn)了通訊故障，但Houston Mechatronics并不擔(dān)心，他們知道要使Aquanaut能達(dá)到真正的工作標(biāo)準(zhǔn)，還有很多工作要做。

 

　　根據(jù)海底技術(shù)先驅(qū)Chuck Richards的說(shuō)法，過(guò)去幾年的低油價(jià)削減了利潤(rùn)，導(dǎo)致石油公司之間的競(jìng)爭(zhēng)加劇，推動(dòng)了新技術(shù)的采用。 Chuck Richards的在休斯敦的公司CA Richards＆Associates為數(shù)十家海底公司提供設(shè)備，其中包括Houston Mechatronics公司。

 

　　Aquanaut相對(duì)于傳統(tǒng)ROV的主要優(yōu)勢(shì)在于其不受限制的操作。Houston Mechatronics必須解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)其功能。

 

　　首先是讓機(jī)器人在沒(méi)有大型支援船只的情況下到達(dá)海上工地。Aquanaut在潛艇模式下可以行駛200多公里，到達(dá)目的地后將自動(dòng)轉(zhuǎn)換成ROV模式，隱藏在船體內(nèi)部的附加推進(jìn)器能使其更具有機(jī)動(dòng)性。

 

　　機(jī)器人變形的過(guò)程是另外一個(gè)重大挑戰(zhàn)，也是Houston Mechatronics內(nèi)部一直在爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。Aquanaut的首席工程師Sandeep Yayathi認(rèn)為，建造Aquanaut的好處遠(yuǎn)超其復(fù)雜性帶來(lái)的困難，最終他們還是決定突破重重困難完成Aquanaut的設(shè)計(jì)。

 

　　為了使Aquanaut能夠如此大幅度地改變其形狀，該機(jī)器人配備了四個(gè)定制的線性驅(qū)動(dòng)器，將機(jī)器人的上半身和下半身分開(kāi)。額外的電機(jī)，也是高度定制的，安裝在防水外殼中，驅(qū)動(dòng)手臂和頭部。 在動(dòng)力方面Aquanaut使用了一種類(lèi)似于電動(dòng)汽車(chē)使用的鋰離子電池。從潛艇到機(jī)器人的完整轉(zhuǎn)換只需要30秒就可以完成。

 

　　也許這些挑戰(zhàn)都不如設(shè)計(jì)Aquanaut的控制系統(tǒng)那么重要。傳統(tǒng)的ROV具有多個(gè)實(shí)時(shí)攝像機(jī)進(jìn)行視頻傳輸，人類(lèi)操作員可以實(shí)時(shí)操縱這些機(jī)器人。
 

 

　　Aquanaut的唯一通信方法是通過(guò)一個(gè)聲學(xué)調(diào)制調(diào)節(jié)器進(jìn)行，這項(xiàng)成熟的技術(shù)雖然在水下有幾十公里的范圍，但同時(shí)具有高延遲和底帶寬的劣勢(shì)，它的傳輸速度最快只有幾千字節(jié)每秒。Houston Mechatronics計(jì)劃依靠小型無(wú)人水面艦艇作為機(jī)器人和通信衛(wèi)星之間的中繼站，以便于在任何地方控制Aquanaut。

 

　　Houston Mechatronics計(jì)劃對(duì)Aquanaut進(jìn)行高級(jí)監(jiān)督控制，將大多數(shù)低級(jí)決策委托給機(jī)器人的機(jī)載計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），這是一個(gè)用于研究和商業(yè)機(jī)器人的流行軟件平臺(tái)。機(jī)器人利用頭部的傳感器組件，包括立體攝像機(jī)、結(jié)構(gòu)光傳感器和聲納系統(tǒng)，構(gòu)建出周?chē)h(huán)境的詳細(xì)3D渲染圖。Aquanaut將高度壓縮的子部分傳輸給操作員，將它們與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行匹配。

 

　　然后，操作員發(fā)出簡(jiǎn)單的指令，比如“將閥門(mén)在這些坐標(biāo)處順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度。”機(jī)器人將自主決定如何抓住閥門(mén)以及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)施加多少力，并在完成任務(wù)后發(fā)回確認(rèn)信息。操作員仍在指揮機(jī)器人的動(dòng)作，但是不需要手動(dòng)操作機(jī)器人，也不需要高帶寬的實(shí)時(shí)視頻傳輸。

 

　　四、Aquanaut將有可達(dá)3000米深海放大版本

 

　　Houston Mechatronics的長(zhǎng)期計(jì)劃是將Aquanaut的能力作為一種服務(wù)出售，使用分布在北?；蚣永Ｄ醽喲睾５貐^(qū)的小型機(jī)器人艦隊(duì)，石油和天然氣公司只需要簡(jiǎn)單地要求完成指定的任務(wù)，Houston Mechatronics就會(huì)安排最近的機(jī)器人來(lái)處理它。
 

 

　　Nic Radford說(shuō)：“操作單一傳統(tǒng)ROV大約需要7個(gè)人，我們認(rèn)為我們可以反過(guò)來(lái)，一個(gè)人可以操作7個(gè)Aquanaut”

 

　　休斯頓大學(xué)機(jī)械工程教授兼國(guó)際海底工程研究主任Matthew A. Franchek表示，由于低帶寬連接和操作員只是在循環(huán)中間歇性地運(yùn)行，因此出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)可能更高。他說(shuō)：“Aquanaut具有很強(qiáng)的不確定性，我擔(dān)心在操作過(guò)程中出現(xiàn)故障，這可能會(huì)帶來(lái)財(cái)務(wù)和環(huán)境方面的嚴(yán)重后果。雖然這項(xiàng)技術(shù)令人興奮，但他們需要證明它能夠發(fā)揮作用。”

 

　　當(dāng)前版本的Aquanaut主要是一個(gè)演示和測(cè)試平臺(tái)，專(zhuān)為相對(duì)較淺的水而設(shè)計(jì)，最大操作深度為300米。雖然這個(gè)版本可以在世界許多地方進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營(yíng)，但Houston Mechatronics已經(jīng)在設(shè)計(jì)一個(gè)可以行駛數(shù)百公里并達(dá)到3000米深度的放大版本，可以為墨西哥灣等地區(qū)提供服務(wù)。

 

　　結(jié)語(yǔ)：水下機(jī)器人或?qū)⑼瓿筛喾巧虡I(yè)性工作

 

　　商業(yè)運(yùn)營(yíng)并不是Houston Mechatronics為Aquanaut所做的唯一探索。2018年底，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局宣布了一項(xiàng)名為Angler的計(jì)劃，旨在“開(kāi)發(fā)一種海底自治系統(tǒng)，可以導(dǎo)航并物理操縱海底物體。”美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局在發(fā)布聲明時(shí)附上了一個(gè)帶有兩條手臂的流線型機(jī)器人潛水艇圖像，這一概念對(duì)Houston Mechatronics公司來(lái)說(shuō)是個(gè)好機(jī)會(huì)。

 

　　Aquanaut已經(jīng)為下一次NBL測(cè)試做好了準(zhǔn)備。它的第一次開(kāi)放水域演示可能會(huì)在八月份在羅德島舉行的海軍技術(shù)演習(xí)中進(jìn)行。Nic Radford表示，從事大膽創(chuàng)新的工作是他的興趣，它們將證明有更好、更具成本效益的方式完成水下工作。