此前，2月2日至4日，冬奧會火炬已在北京、延慶、張家口三個(gè)賽區(qū)進(jìn)行傳遞，給人留下許多難忘的時(shí)刻，其中就包括在北京冬奧公園，兩名特殊“火炬手”共同完成的奧運(yùn)史上首次機(jī)器人水下火炬?zhèn)鬟f。
參與水下火炬?zhèn)鬟f的機(jī)器人。受訪者供圖
水下傳遞的創(chuàng)意是如何產(chǎn)生的？兩名機(jī)器人“火炬手”是如何研制出的？
日前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)科研人員，來自廣東智能無人系統(tǒng)研究院的劉鑫宇博士接受了南方日報(bào)、南方+記者專訪。
創(chuàng)意：將火炬?zhèn)鬟f、冰雪運(yùn)動與科技元素完美融合
2月2日，北京冬奧公園，當(dāng)水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人“手持”燃燒的火炬浮出水面，現(xiàn)場爆發(fā)出熱烈掌聲。此時(shí)，劉鑫宇和團(tuán)隊(duì)其他同事終于松了一口氣。“機(jī)器人每走一步，我們都屏氣凝神，非常緊張，就像在看著自己的孩子一樣。”他說。
機(jī)器人準(zhǔn)備進(jìn)行水下火炬?zhèn)鬟f。新華社
由廣州市、南沙區(qū)和中國科學(xué)院沈陽自動化研究所共建的廣東智能無人系統(tǒng)研究院成立于2019年，是專注于無人系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。去年4月，研究院加入國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)。在該專項(xiàng)支持下，由中科院沈陽自動化研究所牽頭，北京動力機(jī)械研究所、廣東智能無人系統(tǒng)研究院等單位聯(lián)合開展了水下傳遞火炬機(jī)器人的研發(fā)。
劉鑫宇介紹，多機(jī)器人跨域火炬?zhèn)鬟f的創(chuàng)意最初是由中科院沈陽自動化所副所長、廣東智能無人系統(tǒng)研究院副院長李碩提出的，而水下火炬?zhèn)鬟f是其中最精彩的部分。
“火炬接力是奧運(yùn)會不可缺少的環(huán)節(jié)，將機(jī)器人技術(shù)與火炬接力相結(jié)合，體現(xiàn)著人類科技、文明與智慧的進(jìn)步，更能彰顯‘科技奧運(yùn)’的內(nèi)涵，更能將奧林匹克的格言‘更快、更高、更強(qiáng)——更團(tuán)結(jié)’與機(jī)器人未來的發(fā)展緊密融合。”李碩介紹，中科院沈陽自動化研究所在機(jī)器人研究方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，基于多年的技術(shù)積累，團(tuán)隊(duì)提出了“多機(jī)器人跨域火炬?zhèn)鬟f”方案，實(shí)現(xiàn)空中、地面、水下和冰雪面等機(jī)器人間的跨域傳遞，將火炬接力、冰雪運(yùn)動與科技元素相結(jié)合，不僅可以展示我國在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，還可以在冬奧會的舞臺上將科技的火種傳遞給青少年。
廣東智能無人系統(tǒng)研究院科研團(tuán)隊(duì)。受訪者供圖
研發(fā)：在冰面上搭起試驗(yàn)帳篷
去年6月，研發(fā)項(xiàng)目正式啟動，此時(shí)距離冬奧會開幕僅剩下大約8個(gè)月。“這段時(shí)間不僅要完成研發(fā)和加工，還得留足夠的時(shí)間進(jìn)行排練，對研制機(jī)器人來說是非常緊張的。”劉鑫宇說。
最讓劉鑫宇難忘的，是團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)場遼寧，在冰面上搭建試驗(yàn)帳篷進(jìn)行測試的經(jīng)歷。原來，今年元旦前夕，機(jī)器人加工順利完成，火炬?zhèn)鬟f日期臨近，需要馬上進(jìn)行可靠性測試。但當(dāng)時(shí)北京的湖面才剛開始結(jié)冰，測試條件受到限制。怎么辦？團(tuán)隊(duì)在緊急協(xié)商后，馬上轉(zhuǎn)移至遼寧撫順的大伙房水庫，在冰面上搭建起帳篷進(jìn)行試驗(yàn)。
科研團(tuán)隊(duì)在冰面上搭建起試驗(yàn)帳篷開展測試。受訪者供圖
“那里溫度很低，冰很厚，我們克服巨大挑戰(zhàn)，首次實(shí)現(xiàn)冰下的火炬接力成功，團(tuán)隊(duì)興奮不已。”劉鑫宇說。然而，在回到北京冬奧公園測試時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)由于冰層較薄，機(jī)器人噴出的水流竟將冰吹融化了，這就對機(jī)器人在冰面的行進(jìn)造成嚴(yán)重干擾。
為解決這一難題，團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)出新的傳遞方案，加緊搭建了固定在浮臺上的入水洞口和跑道。“為完成新方案的測試，大家站在冰水中頂著寒風(fēng)固定跑道，這種感覺終生難忘。”劉鑫宇說。
科研團(tuán)隊(duì)在冰面上開展機(jī)器人測試。
攻關(guān)：開展近百次試驗(yàn)克服種種技術(shù)難題
“冰下開展機(jī)器人與機(jī)器人的精準(zhǔn)對接與水下點(diǎn)火，既是機(jī)器人跨域火炬?zhèn)鬟f最大的亮點(diǎn)，也是最大的難點(diǎn)，其難度堪比太空艙對接。”“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)“多機(jī)器人跨域火炬?zhèn)鬟f技術(shù)研究與系統(tǒng)示范應(yīng)用”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人田啟巖博士在接受媒體采訪時(shí)說。
機(jī)器人水下點(diǎn)火成功。受訪者供圖
難點(diǎn)之一，是如何讓火在水下燃燒。據(jù)了解，“防水”和“補(bǔ)氧”是兩個(gè)最重要的因素。“防水”，即保護(hù)點(diǎn)火源，火種被放置在一個(gè)“筒”狀的“空腔”中，燃燒的火焰周圍包裹了一層“氣膜”一樣的氣動防水罩，給火制造“無水環(huán)境”；而“補(bǔ)氧”則是克服水下氧氣不足，火炬燃燒器自帶助燃劑，為奧運(yùn)圣火燃燒補(bǔ)充足夠的氧氣。
劉鑫宇介紹，用于傳遞的特種火炬是由項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的中國航天科工31所研制的。“科研人員在機(jī)器人里布置了很多特殊的氣瓶、管路和電子控制設(shè)備，而廣東智能無人系統(tǒng)研究院的任務(wù)，則是確保這些設(shè)備都能按照正確的流程在合適的時(shí)機(jī)開啟或關(guān)閉，從而保證火炬在水下有足夠的溫度和氧氣維持燃燒。”他舉例說，火炬從水面入水的那一刻，燃燒狀態(tài)發(fā)生改變，只有做好控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，才能防止火焰被水撲滅。
兩型機(jī)器人在水下對接點(diǎn)火，是此次任務(wù)的另一大難點(diǎn)。
“水下環(huán)境復(fù)雜，傳感器使用受限，難以實(shí)現(xiàn)較好的定位和通信。而火在水下點(diǎn)燃時(shí)，由于溫度較高，會出現(xiàn)爆燃現(xiàn)象，很容易導(dǎo)致火被撲滅，因此，兩個(gè)火炬要對接成功，必須要在1—2秒的時(shí)間里將控制精度限制在厘米范圍內(nèi)。”劉鑫宇介紹。此外，水流作用也給機(jī)器人的精準(zhǔn)定位帶來很大困難。為了破解這些難題，整個(gè)團(tuán)隊(duì)通力合作、協(xié)同攻關(guān)，共開展了近百次的測試，確保萬無一失。
“元旦、除夕我們都堅(jiān)守在科研崗位上，當(dāng)看到我們的機(jī)器人最終站在火炬?zhèn)鬟f的舞臺上，創(chuàng)造了奧運(yùn)史上的‘首次’，我們的內(nèi)心非常激動，感到一切付出都是值得的。”劉鑫宇說。
