幾個月前《IEEE Spectrum》的特約編輯Evan Ackerman來到了美國宇航局用于訓(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，它和其他無人駕駛水下機(jī)器人沒什么不同，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，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)器人變形過程類似變形金剛

 

　　Aquanaut變成人形的過程就像電影《變形金剛》中的場景一樣，機(jī)器人外殼的頂部升起，從兩邊展開兩條巨大的手臂，一個裝滿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，原本光滑的潛艇已經(jīng)變成了一個半人形的機(jī)器人，準(zhǔn)備開始工作。

 

　　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，可是他沒有精力去參觀太空訓(xùn)練的過程，他此行的主要目的是來看水下機(jī)器人Aquanaut。

 

　　傳統(tǒng)的無人水下機(jī)器人通常分為兩類，于遠(yuǎn)程測量任務(wù)的魚雷式自由游動潛水器，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機(jī)器人，這是一個前所未有的大膽嘗試。

 

　　Aquanaut的設(shè)計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營這些設(shè)施的公司花費大量資金來檢查和維護(hù)它們。在海底的極端工作環(huán)境中，他們所依賴的機(jī)器人技術(shù)幾十年來從未發(fā)生過根本性的變化。

 

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

 

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

　　1. Aquanaut以簡化的潛艇模式前往海底工作場所。

 

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

 

　　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，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2300萬美元的風(fēng)險資本。

 

　　二、Aquanaut可遠(yuǎn)程控制修復(fù)深海裝置

 

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

 

　　Nic Radford說：“把機(jī)器人放在偏遠(yuǎn)的地方，讓它們在嚴(yán)酷的數(shù)據(jù)環(huán)境中做有用的工作，最適合這個大問題: 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、歧管、和儀表，有些有四層樓那么高，通常被稱為“圣誕樹”。

 

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

　　幾十年來，在深水油井上工作的既定程序一直是向油井地點發(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幾乎或根本沒有自主權(quán)，需要通過水面人員的操作獲得動力和控制，這項工作非常昂貴，每天要花費數(shù)萬到數(shù)十萬美元。

 

　　Houston Mechatronics的計劃是減少水下機(jī)器人對水面控制的需求，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，展開手臂進(jìn)行工作。Aquanaut的每個手臂都裝有力矩傳感器，并有八個運動軸，類似于人類手臂。

 

　　Aquanaut上的機(jī)械手臂還有能夠轉(zhuǎn)動水下“圣誕樹”的閥門，甚至可以操作機(jī)器人在內(nèi)部有效載荷艙中攜帶的專用維護(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)器人將自動返回。Nic Radford表示，這種方法將使Aquanaut的部署速度更快，運營成本也比現(xiàn)在的ROV更低。 他估計，成本可能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)市場價格的一半。

 

　　經(jīng)過無數(shù)次的迭代設(shè)計后，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”。

 

　　美國宇航局中性浮力實驗室（NBL）可以容納2350萬升水，最大深度為12米，足以容納國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，來測試Aquanaut。

 

　　在水下10米處，Evan Ackerman背著兩個氮氣罐，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天的測試，唯一的問題是手臂出現(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的說法，過去幾年的低油價削減了利潤，導(dǎo)致石油公司之間的競爭加劇，推動了新技術(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相對于傳統(tǒng)ROV的主要優(yōu)勢在于其不受限制的操作。Houston Mechatronics必須解決幾個關(guān)鍵問題才能實現(xiàn)其功能。

 

　　首先是讓機(jī)器人在沒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)動性。

 

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

 

　　為了使Aquanaut能夠如此大幅度地改變其形狀，該機(jī)器人配備了四個定制的線性驅(qū)動器，將機(jī)器人的上半身和下半身分開。額外的電機(jī)，也是高度定制的，安裝在防水外殼中，驅(qū)動手臂和頭部。 在動力方面Aquanaut使用了一種類似于電動汽車使用的鋰離子電池。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Aquanaut的控制系統(tǒng)那么重要。傳統(tǒng)的ROV具有多個實時攝像機(jī)進(jìn)行視頻傳輸，人類操作員可以實時操縱這些機(jī)器人。
 

 

　　Aquanaut的唯一通信方法是通過一個聲學(xué)調(diào)制調(diào)節(jié)器進(jìn)行，這項成熟的技術(shù)雖然在水下有幾十公里的范圍，但同時具有高延遲和底帶寬的劣勢，它的傳輸速度最快只有幾千字節(jié)每秒。Houston Mechatronics計劃依靠小型無人水面艦艇作為機(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計劃對Aquanaut進(jìn)行高級監(jiān)督控制，將大多數(shù)低級決策委托給機(jī)器人的機(jī)載計算機(jī)。這些計算機(jī)運行機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS），這是一個用于研究和商業(yè)機(jī)器人的流行軟件平臺。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)建出周圍環(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)出簡單的指令，比如“將閥門在這些坐標(biāo)處順時針旋轉(zhuǎn)90度。”機(jī)器人將自主決定如何抓住閥門以及轉(zhuǎn)動時施加多少力，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)器人的動作，但是不需要手動操作機(jī)器人，也不需要高帶寬的實時視頻傳輸。

 

　　四、Aquanaut將有可達(dá)3000米深海放大版本

 

　　Houston Mechatronics的長期計劃是將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，石油和天然氣公司只需要簡單地要求完成指定的任務(wù)，Houston Mechatronics就會安排最近的機(jī)器人來處理它。
 

 

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

 

　　休斯頓大學(xué)機(jī)械工程教授兼國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)中間歇性地運行，因此出現(xiàn)問題的風(fēng)險可能更高。他說：“Aquanaut具有很強(qiáng)的不確定性，我擔(dān)心在操作過程中出現(xiàn)故障，這可能會帶來財務(wù)和環(huán)境方面的嚴(yán)重后果。雖然這項技術(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主要是一個演示和測試平臺，專為相對較淺的水而設(shè)計，最大操作深度為300米。雖然這個版本可以在世界許多地方進(jìn)行商業(yè)運營，但Houston Mechatronics已經(jīng)在設(shè)計一個可以行駛數(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：水下機(jī)器人或?qū)⑼瓿筛喾巧虡I(yè)性工作

 

　　商業(yè)運營并不是Houston Mechatronics為Aquanaut所做的唯一探索。2018年底，美國國防部高級研究計劃局宣布了一項名為Angler的計劃，旨在“開發(fā)一種海底自治系統(tǒng)，可以導(dǎo)航并物理操縱海底物體。”美國國防部高級研究計劃局在發(fā)布聲明時附上了一個帶有兩條手臂的流線型機(jī)器人潛水艇圖像，這一概念對Houston Mechatronics公司來說是個好機(jī)會。

 

　　Aquanaut已經(jīng)為下一次NBL測試做好了準(zhǔn)備。它的第一次開放水域演示可能會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。