创新故事丨水下机器人“海龟”诞生记

科技日报记者 朱虹

近日，在南海的晨光中，一台直径约70厘米的水下机器人以优雅的弧线潜入碧波。它紧贴海底，距珊瑚礁盘仅几厘米，轻巧游动，四周沉积物只泛起细微涟漪。即便鱼群突然掠过，它也能灵巧扭动，从缝隙中穿梭而过，宛如海底飞盘般敏捷。

这是哈尔滨工程大学船舶与工程学院王刚教授团队研发的敏捷型水下机器人“海龟”的真实工作场景。它不仅实现了近海底环境观测的厘米级突破，更以灵动身姿颠覆了传统水下机器人“笨拙”“僵硬”的刻板印象，开启一个更加精准、高效、环保的水下探测新时代。

沉积物干扰降低90%

“我们的深潜器每次抵达海底，都要先等沉积物散去才能工作，这个过程需要很长时间。”在一次学术会议上，王刚听到这句抱怨时，职业敏感让他心头一震。

在水下机器人领域深耕十余载，王刚深知传统底栖机器人地形适应能力弱，螺旋桨搅起的泥沙会破坏海底生态，更让观测数据蒙上“迷雾”。而全球珊瑚礁正以惊人速度退化，受限于暗流与深度，潜水员每年仅有两次观测时间窗口，且无法触及深水区，然而传统水下机器人观测效果又不尽如人意。

王刚团队将目光投向海洋生物，仔细研究了数十种海底动物后，从海龟的推进方式中找到了灵感。团队成员刘开鑫回忆：“我们发现海龟倾斜拍动前肢的推进方式，既能减少水体扰动，又能保持高效推进。”

将这一生物特性转化为技术方案并不容易。“在设计过程中，我们发现机器人的形状和推进器布局都会影响其上升速度，但无前例可借鉴。”刘开鑫说。

团队决定利用数学方法来探究其内在原理，建立机器人、推力和速度之间的数学模型。“这个模型不仅为珊瑚观测机器人提供了量化依据，而且对于其他有类似需求的水下机器人也具有参考价值。”王刚解释道。

在随后的半年多时间里，团队经历了无数次失败后，最终推导出了机器人低扰动航行性能与推进器布局以及机器人外形参数之间的数学公式。当电脑屏幕上显示出性能提升的曲线时，整个实验室都为之沸腾。

这一公式为科研人员提供了极大的便利。在研发初期，他们就可以通过这一公式预测并确定机器人构型的低扰动性能，无须在实际机器人上进行反复试验验证。这极大地提高了研发效率。

对比试验中，传统水下机器人靠近海底时激起半米高的泥沙云，而“海龟”机器人凭借其精准布局的推进器，几乎在航行时不泛起涟漪，沉积物干扰降低了90%。

这项成果让国际同行惊叹：原来水下观测可以如此“温柔”。

稳定性提升7.16倍

2022年寒冬，实验室里回荡着金属撞击声。刘开鑫手握布满划痕的传感器外壳，盯着屏幕上剧烈波动的数据。当4公斤配重突然撞击机器人时，机器人一边前行一边下坠，直到触底。他调大了参数，但机器人频繁点头，波动实验也因触底而宣告失败。

传统水下机器人在航行过程中需保持一定高度，以应对突发事件。然而，“海龟”机器人需为珊瑚观测服务，必须贴近海底工作，距离珊瑚不超过1米，以便准确捕捉颜色细节。这要求机器人必须具备超高灵敏度，能够瞬时调整姿态。

“就像站在圆球上保持平衡一样，前倾或后倒仍能保持稳定，是因为我们能感知到变化。”王刚解释说，团队需要让机器人学会这种瞬时感知，以确保在贴地飞行时不会触底发生意外。

想要提高机器人对外界的感知能力，计算角加速度是一个很有效也很直接的手段。但直接获取角加速度需要进行微分，这个过程不可避免会放大传感器噪声。在传感器回传频率为200赫兹时，微分操作会将噪声放大200倍。在一次例会上，王刚用粉笔在黑板上画出误差传递链，团队意识到必须彻底颠覆测量架构。

转折发生在几天后。刘开鑫突发灵感：如果将测试点移至机器人两端，并用半径乘以切向加速度，是否可以直接获得角加速度？加上中心点的测量，他称之为“三点惯性测量感知方法”。王刚决定：“立即搭建验证平台！”

团队迅速将这一创意付诸实验。他们将机器人放在桌面上，轻轻拍动桌面。虽然力度很小，但在屏幕上显示了传感器传来的波动数据。王刚说，搭载了三点惯性测量感知方法的机器人相比传统控制方式，数据噪声降低了约76.2%，响应时间缩短了1.1倍，倾角控制的稳定性提升了7.16倍。此外，机器人还采用了角加速度反馈控制，能够尽可能靠近海底而不触底。

在随后的载荷实验中，“海龟”机器人在面对4公斤的冲击载荷时，能够瞬时向上倾斜以补偿失位情况。无论是冲击载荷还是连续载荷，它都能在0.45秒内完成姿态修正。

姿态可调整360度

海底环境复杂多变，凹凸不平，障碍物众多。如何使机器人持续贴底并近距离运动，即使在崎岖地形中也能灵活穿梭？这一难题困扰团队许久。

传统水下导航依赖“定点跟踪”模式，就像地面车辆按既定路线行驶。“它们只能前进、后退、上升、下降，如果我们想让它在一个狭小的缝隙间侧身穿过，就必须在算法上进行革命性创新。”王刚说。

团队成员提出，将机器人的姿态信息融入算法中。这一改变或许能让机器人像章鱼触手般灵活，实现360度自由调整姿态。

王刚解释：“如果说传统水下机器人的跟踪算法就像仅靠一根手指指引方向，姿态信息则如同手腕，使机器人实现全向旋转。”

经过半年攻关，团队成功在跟踪算法中引入了姿态约束算法，使航行器姿态与环境碰撞关系深度融合，从而大大提高了机器人的敏捷性。这一创新成果被国际期刊《自然·通讯》杂志赞誉为“开辟了敏捷型水下机器人的新方向”，使近海底环境观测距离达到了厘米级别。

那么，敏捷型机器人到底有多敏捷呢？团队通过一场“水下杂技”表演为我们揭晓答案。

在实海测试中，科研人员在海底设置了一个宽度1米、高度0.8米的异形框架，让悬挂绳索的“海龟”机器人在该框架上完成打结任务。这对于宽度0.93米的“海龟”来说，是一项极限挑战。然而，“海龟”机器人却从容不迫，迅速完成了一系列动作，整个过程仅用时3分钟。

看到这一幕，行业专家对这个“国际首台敏捷型”水下机器人交口称赞。“海龟”机器人360度的灵活运动，成功突破了水下航行器在海底复杂地形全域机动的技术瓶颈。专家们认为，“海龟”机器人不仅能用于观测珊瑚，还能在水下捕捞、搜救等方面发挥重要作用。

目前，团队正在为“海龟”机器人增添更多功能。他们计划为其搭载微距摄像头，以捕捉珊瑚虫的呼吸动作；并配备机械臂，使其能定点驻留观测，变成一个“海底监控站”。王刚对“海龟”机器人的未来应用充满期待。比如，在深海采矿中，“海龟”机器人可以多台协同作业，通过搭载大模型精准定位矿源，既提高开采效率，又保护海底生态。