锻造“攻深探盲”的“火眼金睛”

　　不久前，清华大学自动化系宋士吉教授团队研制的深海可控式可视化采样器搭载“大洋号”科考船，在西南印度洋合同区2539米水深处，成功抓取了块状玄武岩地质样品，并获得了近底高清视频资料和环境数据。而此前，该设备已搭载“大洋号”，先后完成2500米、4500米深海底试验。

　　2015年，清华大学自动化系宋士吉团队提出的“深海可控式可视化采样器关键技术研究与样机研制”获批为国家自然科学基金委重大科学仪器研制项目。8年多来，团队围绕“精准”和“智能”技术开展工作，研制出的深海可控式可视化采样器，突破了我国现有深海电视抓斗和深海摄像拖曳系统的功能局限性，将精确探测和精细采样有机集成，具备交互式作业、精确运动控制、热液异常智能搜索等功能，填补了我国深海精细采样的技术空白，性能达到国际先进水平，为我国实施“攻深探盲”提供了关键技术与装备。

　　创新突破，在智能化和一体化上下功夫

　　深海蕴藏着丰富的矿产和资源，随着各国纷纷向深海挺进，深海装备的自主研发能力和水平成为各国竞争的焦点。

　　长期以来，深海资源探测开发设备的研制面临着关键技术难题多、挑战性大等困难，集中体现了一个国家科技实力和高端制造业的水平。

　　而走上深海可控式可视化采样器的研制之路，对宋士吉来说，是偶然更是必然。

　　2012年暑期，宋士吉作为中国大洋事务管理局信息系统领域的责任专家，随同“大洋一号”科考船进行科学调查。在深海“热液区”探测过程中，宋士吉发现，每次都是先把“拖体”下放到海底进行大范围探测，找到热液异常点位置后，再放“抓斗”下去采样。

　　“正如刻舟求剑一样，在拖体探测到的热液异常点上设备无法完成采样，需要依赖船舶动力定位系统和人工操作经验，反复调整船舶位置才能找到被探测到的热液异常定位点，完成这两个过程非常耗时，经常需要持续寻找数小时甚至更久；而在抓斗进行抓挖的过程中，由于海底地形复杂，容易抓空或者翻倒，多次尝试才能采集到满意的地质样品，严重制约了科考作业的效率和样品质量。”宋士吉说。

　　如何才能使探测和采样两种作业一次性完成？如何实现智能搜索和智能采样，提高深海作业效率并减少人工操作带来的一些偏差？

　　宋士吉团队着力在智能化和一体化方面下功夫。

　　“我们研制的深海可控式可视化采样器，具有小范围自主移动的功能，重点突出作业过程的一体化和智能化，即能够根据探测到的海底热液异常信息自动调整搜索路径，能够快速定位硫化物矿喷口区或热液异常区，同步进行精准采样作业。”宋士吉说，而且在大范围探测和精准采样过程中，实现了海底作业的可视化，母船甲板监控端能够实时监测到海底地形、环境信息及采样器作业过程的实时监测数据。与国外先进的深海采样器相比，该设备也具有明显优势：一是海底作业过程在线智能搜索目标；二是采样过程的智能操控作业；三是采样器还具备一机多能的特点。

　　2019年8月，该设备在南海海域进行了第一次海试，下潜到2500米时出现故障，团队及时更换了采样器水下驱动舱部件，继续进行水下试验工作。2020年1月，设备搭载“大洋号”科考船在西太平洋海域进行了第二次海试，在2500米和4500米两个深度的海底分别成功抓取了海底矿产样品。

　　学科交叉，助力深海调查设备原始创新

　　重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究，产生于学科交叉领域。海洋装备研发是典型的多学科交叉研究领域。在深海可控式可视化采样器的研制中，人工智能、深海探测、机械制造等众多学科领域凝聚合力，最终促进了采样器的成功研发。

　　宋士吉解释，深海探测面临着很多难题，一是海底静压大，6000米深水区的压力为60兆帕，相当于在每平方厘米面积上施加了600公斤重的压力。重压之下，仪器设备的运动、探测、抓取等精细动作更难上加难，因而对仪器设备材料的抗压性能要求极高。二是深海环境对海底设备的各种电子接插件的水密性要求高。三是精准识别热液异常并圈定硫化物矿产资源区需要精准获取、识别并评价地震、电磁、岩石物理模型等地质资源数据，对设备的智能化要求高。

　　“深海环境恶劣、环境干扰大，样本数据少、信号微弱……在采样器智能化的研发道路上，每一步都是前人未走过的路。”团队核心技术成员、清华大学自动化系副教授黄高说。

　　从2009年开始，黄高就加入了团队，从项目论证、申请到研发、海试，全程参与了采样器的研制工作。

　　如何克服海底环境的不利影响，实现更加精准的智能识别、跟踪、精准采样？

　　“我们重点从两个方面攻关，一是智能感知，通过扩增数据样本、模型预训练等方式，不断优化智能系统，目前已实现深海常见物体80%的检测准确率，实现了质的提升。二是智能决策，逐步提升模拟环境仿真分析的准确性，使采样器能够准确判断是否为海底硫化物热液喷口或特征异常区，并根据羽状流物理异常或化学异常信息进行实时跟踪与定位。”黄高说。

　　深海可控式可视化采样器的成功研制，也离不开上海交大水下工程研究所在总体结构、电气系统、液压系统及系统集成研究方面的贡献，以及厦门大学近海海洋环境国家重点实验室在深海调查领域的丰富经验……

　　“特别是在重大装备关键技术研发方面，学科交叉融合是重要的突破口。”宋士吉说，尤其是像我们的深海可控式可视化采样器的研制，属于国家重大科学仪器研制项目，有重大工程驱动和明确的国家需求和牵引，在研发过程中，不仅解决了实际应用中的问题，也从真实需求中提炼科学问题，促进了学科的发展。

　　“要做就要比国外做得好”

　　深海蕴藏着地球上未被认知和开发的宝藏。进入21世纪，深海技术已成为世界各国的重点发展技术领域。

　　“深海竞争实质上是综合国力和高技术能力的竞争，深海高新技术集中体现了一个国家的综合技术实力。”宋士吉说，以深海硫化物矿区探测为例，目前全球已探测出250多个深海硫化物矿区，据科学家估计，仍有一半未被人类探测到。深海可控式可视化采样器等深部资源探测核心装备的自主研制成功，为我国实施“攻深探盲”提供了关键技术与装备，为我国资源能源安全保障体系提供了有力的技术支持。

　　“实践出真知，科研项目要面向国家重大需求，攻克共性基础理论和核心关键技术难题，这样才能做出大成果。”团队资深专家、中国工程院院士、清华大学自动化系教授吴澄说，“我们承担的科研课题，一定是选择具有重大意义的、有挑战性的、国家发展亟待解决的技术难题，而且要做就要比国外做得好。”

　　谈及深海可控式可视化采样器的成功研发，吴澄认为：“一是研究方向的探索，要契合国家需求并具有挑战性。二是理论联系实际，要紧扣工程实际需求，提炼并解决科学和技术难题。再就是多学科、多团队的精诚合作。”

　　近期，团队在采样器设计上又进行了升级，增加了机械手采样工具，在抓斗“精确抓取”地质样品的基础上，实现了“精确捡取”的功能。在系统设计方面采用液压系统驱动抓斗和机械手，如遇被卡住的情况，将实现上下模块自动分离，保留设备核心模块并及时把采样器回收至甲板。

　　“深海技术未来一定是走向智能化和无人化的。”宋士吉说，长航时、超高速、智能化、无人潜水器技术和深海高精度、低能耗、小型化的声、光、电、磁等新原理传感器等，将是未来的发展方向和竞争焦点。