鍛造“攻深探盲”的“火眼金睛”

    ■走在教育強(qiáng)國(guó)大路上 支撐高水平科技自立自強(qiáng)    

    ■團(tuán)隊(duì)研制出的深?？煽厥娇梢暬蓸悠鳎黄屏宋覈?guó)現(xiàn)有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統(tǒng)的功能局限性，將精確探測(cè)和精細(xì)采樣有機(jī)集成，填補(bǔ)了我國(guó)深海精細(xì)采樣的技術(shù)空白，為我國(guó)實(shí)施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備

    ■科研項(xiàng)目要面向國(guó)家重大需求，攻克共性基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)難題，這樣才能做出大成果    

不久前，清華大學(xué)自動(dòng)化系宋士吉教授團(tuán)隊(duì)研制的深海可控式可視化采樣器搭載“大洋號(hào)”科考船，在西南印度洋合同區(qū)2539米水深處，成功抓取了塊狀玄武巖地質(zhì)樣品，并獲得了近底高清視頻資料和環(huán)境數(shù)據(jù)。而此前，該設(shè)備已搭載“大洋號(hào)”，先后完成2500米、4500米深海底試驗(yàn)。

2015年，清華大學(xué)自動(dòng)化系宋士吉團(tuán)隊(duì)提出的“深?？煽厥娇梢暬蓸悠麝P(guān)鍵技術(shù)研究與樣機(jī)研制”獲批為國(guó)家自然科學(xué)基金委重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目。8年多來(lái)，團(tuán)隊(duì)圍繞“精準(zhǔn)”和“智能”技術(shù)開(kāi)展工作，研制出的深?？煽厥娇梢暬蓸悠?，突破了我國(guó)現(xiàn)有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統(tǒng)的功能局限性，將精確探測(cè)和精細(xì)采樣有機(jī)集成，具備交互式作業(yè)、精確運(yùn)動(dòng)控制、熱液異常智能搜索等功能，填補(bǔ)了我國(guó)深海精細(xì)采樣的技術(shù)空白，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)實(shí)施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備。

    創(chuàng)新突破，在智能化和一體化上下功夫

深海蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)和資源，隨著各國(guó)紛紛向深海挺進(jìn)，深海裝備的自主研發(fā)能力和水平成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，深海資源探測(cè)開(kāi)發(fā)設(shè)備的研制面臨著關(guān)鍵技術(shù)難題多、挑戰(zhàn)性大等困難，集中體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力和高端制造業(yè)的水平。

而走上深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯难兄浦罚瑢?duì)宋士吉來(lái)說(shuō)，是偶然更是必然。

2012年暑期，宋士吉作為中國(guó)大洋事務(wù)管理局信息系統(tǒng)領(lǐng)域的責(zé)任專(zhuān)家，隨同“大洋一號(hào)”科考船進(jìn)行科學(xué)調(diào)查。在深?！盁嵋簠^(qū)”探測(cè)過(guò)程中，宋士吉發(fā)現(xiàn)，每次都是先把“拖體”下放到海底進(jìn)行大范圍探測(cè)，找到熱液異常點(diǎn)位置后，再放“抓斗”下去采樣。

“正如刻舟求劍一樣，在拖體探測(cè)到的熱液異常點(diǎn)上設(shè)備無(wú)法完成采樣，需要依賴(lài)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)和人工操作經(jīng)驗(yàn)，反復(fù)調(diào)整船舶位置才能找到被探測(cè)到的熱液異常定位點(diǎn)，完成這兩個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)，經(jīng)常需要持續(xù)尋找數(shù)小時(shí)甚至更久；而在抓斗進(jìn)行抓挖的過(guò)程中，由于海底地形復(fù)雜，容易抓空或者翻倒，多次嘗試才能采集到滿(mǎn)意的地質(zhì)樣品，嚴(yán)重制約了科考作業(yè)的效率和樣品質(zhì)量。”宋士吉說(shuō)。

如何才能使探測(cè)和采樣兩種作業(yè)一次性完成？如何實(shí)現(xiàn)智能搜索和智能采樣，提高深海作業(yè)效率并減少人工操作帶來(lái)的一些偏差？

宋士吉團(tuán)隊(duì)著力在智能化和一體化方面下功夫。

“我們研制的深?？煽厥娇梢暬蓸悠鳎哂行》秶灾饕苿?dòng)的功能，重點(diǎn)突出作業(yè)過(guò)程的一體化和智能化，即能夠根據(jù)探測(cè)到的海底熱液異常信息自動(dòng)調(diào)整搜索路徑，能夠快速定位硫化物礦噴口區(qū)或熱液異常區(qū)，同步進(jìn)行精準(zhǔn)采樣作業(yè)。”宋士吉說(shuō)，而且在大范圍探測(cè)和精準(zhǔn)采樣過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了海底作業(yè)的可視化，母船甲板監(jiān)控端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到海底地形、環(huán)境信息及采樣器作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。與國(guó)外先進(jìn)的深海采樣器相比，該設(shè)備也具有明顯優(yōu)勢(shì)：一是海底作業(yè)過(guò)程在線(xiàn)智能搜索目標(biāo)；二是采樣過(guò)程的智能操控作業(yè)；三是采樣器還具備一機(jī)多能的特點(diǎn)。

2019年8月，該設(shè)備在南海海域進(jìn)行了第一次海試，下潛到2500米時(shí)出現(xiàn)故障，團(tuán)隊(duì)及時(shí)更換了采樣器水下驅(qū)動(dòng)艙部件，繼續(xù)進(jìn)行水下試驗(yàn)工作。2020年1月，設(shè)備搭載“大洋號(hào)”科考船在西太平洋海域進(jìn)行了第二次海試，在2500米和4500米兩個(gè)深度的海底分別成功抓取了海底礦產(chǎn)樣品。

    學(xué)科交叉，助力深海調(diào)查設(shè)備原始創(chuàng)新

重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域。海洋裝備研發(fā)是典型的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域。在深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯难兄浦?，人工智能、深海探測(cè)、機(jī)械制造等眾多學(xué)科領(lǐng)域凝聚合力，最終促進(jìn)了采樣器的成功研發(fā)。

宋士吉解釋?zhuān)詈Ｌ綔y(cè)面臨著很多難題，一是海底靜壓大，6000米深水區(qū)的壓力為60兆帕，相當(dāng)于在每平方厘米面積上施加了600公斤重的壓力。重壓之下，儀器設(shè)備的運(yùn)動(dòng)、探測(cè)、抓取等精細(xì)動(dòng)作更難上加難，因而對(duì)儀器設(shè)備材料的抗壓性能要求極高。二是深海環(huán)境對(duì)海底設(shè)備的各種電子接插件的水密性要求高。三是精準(zhǔn)識(shí)別熱液異常并圈定硫化物礦產(chǎn)資源區(qū)需要精準(zhǔn)獲取、識(shí)別并評(píng)價(jià)地震、電磁、巖石物理模型等地質(zhì)資源數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備的智能化要求高。

“深海環(huán)境惡劣、環(huán)境干擾大，樣本數(shù)據(jù)少、信號(hào)微弱……在采樣器智能化的研發(fā)道路上，每一步都是前人未走過(guò)的路?！眻F(tuán)隊(duì)核心技術(shù)成員、清華大學(xué)自動(dòng)化系副教授黃高說(shuō)。

從2009年開(kāi)始，黃高就加入了團(tuán)隊(duì)，從項(xiàng)目論證、申請(qǐng)到研發(fā)、海試，全程參與了采樣器的研制工作。

如何克服海底環(huán)境的不利影響，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的智能識(shí)別、跟蹤、精準(zhǔn)采樣？

“我們重點(diǎn)從兩個(gè)方面攻關(guān)，一是智能感知，通過(guò)擴(kuò)增數(shù)據(jù)樣本、模型預(yù)訓(xùn)練等方式，不斷優(yōu)化智能系統(tǒng)，目前已實(shí)現(xiàn)深海常見(jiàn)物體80%的檢測(cè)準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升。二是智能決策，逐步提升模擬環(huán)境仿真分析的準(zhǔn)確性，使采樣器能夠準(zhǔn)確判斷是否為海底硫化物熱液噴口或特征異常區(qū)，并根據(jù)羽狀流物理異?；蚧瘜W(xué)異常信息進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與定位?！秉S高說(shuō)。

深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯某晒ρ兄?，也離不開(kāi)上海交大水下工程研究所在總體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及系統(tǒng)集成研究方面的貢獻(xiàn)，以及廈門(mén)大學(xué)近海海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在深海調(diào)查領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)……

“特別是在重大裝備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，學(xué)科交叉融合是重要的突破口?！彼问考f(shuō)，尤其是像我們的深海可控式可視化采樣器的研制，屬于國(guó)家重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目，有重大工程驅(qū)動(dòng)和明確的國(guó)家需求和牽引，在研發(fā)過(guò)程中，不僅解決了實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，也從真實(shí)需求中提煉科學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)了學(xué)科的發(fā)展。

    “要做就要比國(guó)外做得好”

深海蘊(yùn)藏著地球上未被認(rèn)知和開(kāi)發(fā)的寶藏。進(jìn)入21世紀(jì)，深海技術(shù)已成為世界各國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。

“深海競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是綜合國(guó)力和高技術(shù)能力的競(jìng)爭(zhēng)，深海高新技術(shù)集中體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)實(shí)力?！彼问考f(shuō)，以深海硫化物礦區(qū)探測(cè)為例，目前全球已探測(cè)出250多個(gè)深海硫化物礦區(qū)，據(jù)科學(xué)家估計(jì)，仍有一半未被人類(lèi)探測(cè)到。深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯壬畈抠Y源探測(cè)核心裝備的自主研制成功，為我國(guó)實(shí)施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備，為我國(guó)資源能源安全保障體系提供了有力的技術(shù)支持。

“實(shí)踐出真知，科研項(xiàng)目要面向國(guó)家重大需求，攻克共性基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)難題，這樣才能做出大成果?！眻F(tuán)隊(duì)資深專(zhuān)家、中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)自動(dòng)化系教授吳澄說(shuō)，“我們承擔(dān)的科研課題，一定是選擇具有重大意義的、有挑戰(zhàn)性的、國(guó)家發(fā)展亟待解決的技術(shù)難題，而且要做就要比國(guó)外做得好?！?/p>

談及深?？煽厥娇梢暬蓸悠鞯某晒ρ邪l(fā)，吳澄認(rèn)為：“一是研究方向的探索，要契合國(guó)家需求并具有挑戰(zhàn)性。二是理論聯(lián)系實(shí)際，要緊扣工程實(shí)際需求，提煉并解決科學(xué)和技術(shù)難題。再就是多學(xué)科、多團(tuán)隊(duì)的精誠(chéng)合作。”

近期，團(tuán)隊(duì)在采樣器設(shè)計(jì)上又進(jìn)行了升級(jí)，增加了機(jī)械手采樣工具，在抓斗“精確抓取”地質(zhì)樣品的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了“精確撿取”的功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)抓斗和機(jī)械手，如遇被卡住的情況，將實(shí)現(xiàn)上下模塊自動(dòng)分離，保留設(shè)備核心模塊并及時(shí)把采樣器回收至甲板。

“深海技術(shù)未來(lái)一定是走向智能化和無(wú)人化的。”宋士吉說(shuō)，長(zhǎng)航時(shí)、超高速、智能化、無(wú)人潛水器技術(shù)和深海高精度、低能耗、小型化的聲、光、電、磁等新原理傳感器等，將是未來(lái)的發(fā)展方向和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

《中國(guó)教育報(bào)》2024年08月14日第1版