日前，中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所（以下簡稱智能所）納米材料與環(huán)境檢測研究室研發(fā)出“風(fēng)光互補(bǔ)”自主式水面機(jī)器人。研究室副主任余道洋告訴告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“這款水面機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)、自動(dòng)控制、通訊數(shù)據(jù)傳輸以及智能決策等技術(shù)水平達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先。”
風(fēng)光互補(bǔ)動(dòng)力
目前，國內(nèi)外水面機(jī)器人的主要用途有水采樣及水質(zhì)監(jiān)測、水下地貌測繪和水文測量、水面垃圾清理、巡邏及救援等。
余道洋介紹，水面自動(dòng)清潔機(jī)器人由水面漂浮物自動(dòng)回收裝置和水面機(jī)器人組成，主要應(yīng)用于海洋、湖泊、河道、灘涂，景區(qū)內(nèi)的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理以及危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)。相對于無人船，水面機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、自動(dòng)控制和智能決策等。
已經(jīng)面世的“領(lǐng)航者”號無人船處于國內(nèi)民用水面機(jī)器人領(lǐng)先水平。該無人船融合船舶、通信、自動(dòng)化、機(jī)器人控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航、智能避障、遠(yuǎn)距離通信、視頻實(shí)時(shí)傳輸和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等功能。
然而，續(xù)航動(dòng)力是束縛水面機(jī)器人發(fā)展的一大技術(shù)難題。余道洋指出，現(xiàn)有的垃圾清理水面機(jī)器人多數(shù)都是小型船體，清理的垃圾有限，采用電池供電，動(dòng)力不足。比如，全自動(dòng)水面保潔船最多清理1立方米小型垃圾，最長巡航8小時(shí)。
納米材料與環(huán)境檢測研究室研發(fā)的水面機(jī)器人除了具備人工智能等功能外，首創(chuàng)風(fēng)力和太陽能發(fā)電動(dòng)力技術(shù)，動(dòng)力來源于大容量電池、風(fēng)力和太陽能發(fā)電混合電源系統(tǒng)，解決了水面機(jī)器人長時(shí)間持續(xù)巡航的動(dòng)力問題。
“我們的水面機(jī)器人采用風(fēng)光互補(bǔ)動(dòng)力，基本上不需要充電即可連續(xù)巡航。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的垃圾清理無人船采用抓捕式垃圾清潔方式，各種水面漂浮物、藍(lán)藻等均可以清理，實(shí)用性更強(qiáng)，使用更方便。”
水質(zhì)檢測采樣
余道洋稱，國內(nèi)現(xiàn)有的水面機(jī)器人一般只能在線檢測常規(guī)水質(zhì)的五類參數(shù)指標(biāo)，并且須把水樣采集好后再到實(shí)驗(yàn)室去檢測，很難全面檢測水中有機(jī)物、營養(yǎng)鹽和重金屬，因此無法實(shí)現(xiàn)水中重金屬等重要污染物的原位和實(shí)時(shí)檢測。
“另外，現(xiàn)有技術(shù)一般只能檢測水域的淺層水，無法檢測水域中不同深度層面的水質(zhì)立體斷面污染分布狀況。”納米材料與環(huán)境檢測研究室以水面機(jī)器人為平臺，結(jié)合研制的新型小型化重金屬檢測儀器、不同深度水質(zhì)自動(dòng)采樣裝置以及水質(zhì)原位在線檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)立體斷面的原位和實(shí)時(shí)檢測與污染狀態(tài)分析。
“我們利用水面機(jī)器人平臺，搭建多種自主研制的水質(zhì)監(jiān)測儀器，小型化后集成到水面機(jī)器人平臺之中，形成水質(zhì)監(jiān)測移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，可以取代目前常用的水質(zhì)固定監(jiān)測站或者監(jiān)測浮標(biāo)，實(shí)現(xiàn)任意水域、全天候、原位和低成本水質(zhì)監(jiān)測與預(yù)警，大幅度縮減建設(shè)監(jiān)測站和浮標(biāo)的費(fèi)用。”
納米材料與環(huán)境檢測研究室還采用視覺和雷達(dá)雙模目標(biāo)識別方法，在此基礎(chǔ)上自主開發(fā)了水面目標(biāo)的路徑優(yōu)化和自主避障等智能算法，攻克了水面機(jī)器人的全局路徑規(guī)劃和局部實(shí)時(shí)避障難題。另外，融合了多模導(dǎo)航系統(tǒng)、三維電子羅盤、驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)調(diào)速控制技術(shù)、高帶寬無線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)以及人工智能等技術(shù)，解決了水面目標(biāo)自動(dòng)控制問題。
清理水面油污
2010年，位于墨西哥灣的一處鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，沉沒的鉆井平臺每天漏油達(dá)到5000桶，并且海上浮油面積以每日9900平方公里逐漸擴(kuò)張，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億美元。
同年，位于我國遼寧省大連新港附近的原油罐區(qū)輸油管道發(fā)生爆炸，造成原油大量泄漏并引起火災(zāi)。
如今，在國內(nèi)各港口、碼頭和溢油應(yīng)急中心，使用吸油拖欄、靜態(tài)收油系統(tǒng)、收油網(wǎng)等溢油回收設(shè)備已相當(dāng)普遍。
船用溢油回收系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)外自動(dòng)化程度和回收效率較高的回收設(shè)備，但國內(nèi)生產(chǎn)的船用溢油回收系統(tǒng)性能一般，而國外生產(chǎn)的船用溢油回收系統(tǒng)則有造價(jià)高、船體大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作專業(yè)等問題。
余道洋指出，現(xiàn)有的物理吸附原理的溢油回收方法相對簡單，但是普遍受制于回收材料的吸附效率低、一次性使用和自動(dòng)化程度低等缺陷而難以推廣。
為此，納米材料與環(huán)境檢測研究室解決了兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是研制高效、低成本和可重復(fù)使用的有機(jī)硅修飾的超疏水和親油輕質(zhì)材料，解決了溢油吸附材料問題；二是研制出水面油污清潔機(jī)器人，自動(dòng)識別溢油水域、自主巡航、自動(dòng)清潔和回收溢油，提高效率、節(jié)約成本。
