智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 王穎
導語：新型水下機器人能在30秒轉換成人形，脫離人工控制完成深海任務。
智東(dong)西2月17日消息，幾個月前《IEEE Spectrum》的(de)特(te)約編輯Evan Ackerman來到了(le)美國宇航局(ju)用于(yu)訓練宇航員的(de)泳池(chi)，去看Houston Mechatronics公司制(zhi)造(zao)的(de)機(ji)器人潛(qian)艇Aquanaut，它(ta)可以熟練的(de)在水中變成人形。
Aquanaut的外表是明亮的橙色，造型就像一(yi)艘微型潛艇一(yi)樣(yang)。從外表看來，它和其他無人駕(jia)駛水下機(ji)器人沒(mei)什么不同，但它內部(bu)配備了用(yong)于(yu)(yu)手機(ji)數(shu)據的傳感器和用(yong)于(yu)(yu)前進(jin)的推進(jin)器。
Aquanaut代表(biao)了一(yi)種全新的設計，它(ta)的創造者Houston Mechatronics公司(si)希望Aquanaut能夠(gou)徹(che)底改(gai)變海底機(ji)器人技術。
一、水下機器人變形過程類似變形金剛
Aquanaut變(bian)成人形的(de)(de)過(guo)程就像電影(ying)《變(bian)形金(jin)剛(gang)》中的(de)(de)場景(jing)一(yi)(yi)樣，機器人外殼的(de)(de)頂部升起，從兩邊展開(kai)兩條巨大的(de)(de)手臂，一(yi)(yi)個裝(zhuang)滿(man)傳(chuan)感器的(de)(de)楔形頭旋(xuan)轉(zhuan)到位，在幾秒鐘內，轉(zhuan)變(bian)就完(wan)成了。這(zhe)時(shi)，原本光滑的(de)(de)潛(qian)艇已經變(bian)成了一(yi)(yi)個半人形的(de)(de)機器人，準(zhun)備開(kai)始工作(zuo)。
Evan Ackerman進入了泳池(chi)，感受失重狀(zhuang)態下(xia)的(de)漂(piao)浮，只(zhi)有(you)任務控(kong)制中心可以通過耳機與他(ta)溝通。離他(ta)不遠(yuan)的(de)地方有(you)兩(liang)名(ming)宇航員(yuan)正(zheng)在練習太(tai)空行(xing)走，可是他(ta)沒有(you)精力去(qu)參(can)觀(guan)太(tai)空訓練的(de)過程，他(ta)此行(xing)的(de)主要目的(de)是來(lai)看水下(xia)機器(qi)人Aquanaut。
傳統的(de)無人(ren)水下機(ji)器人(ren)通常分為兩(liang)類，于(yu)遠程測量任務的(de)魚(yu)雷式自由游(you)動潛水器，以及用于(yu)支撐船(chuan)只并用于(yu)水下操縱的(de)四方形遠程遙控(kong)機(ji)器。Houston Mechatronics希望(wang)能將這(zhe)兩(liang)種模式組合成一(yi)個機(ji)器人(ren)，這(zhe)是一(yi)個前(qian)所未(wei)有的(de)大膽(dan)嘗試(shi)。
Aquanaut的(de)設(she)計主要(yao)(yao)是為海底(di)石(shi)油和天然(ran)氣裝置(zhi)提供維(wei)修服務(wu)，這些裝置(zhi)需要(yao)(yao)擁有和運營這些設(she)施(shi)的(de)公司花費大量資金(jin)來檢查和維(wei)護(hu)它們。在海底(di)的(de)極端(duan)工作環境中，他們所依(yi)賴的(de)機器人技(ji)術幾十年來從(cong)未發生過根本(ben)性的(de)變化。
Houston Mechatronics的(de)(de)75名(ming)員工中，有超過24名(ming)曾經為NASA工作過，在極端環境下(xia)爆發(fa)創造(zao)力就(jiu)是(shi)他們擅長的(de)(de)。Houston Mechatronics的(de)(de)聯合(he)創始(shi)人兼(jian)首席技術官Nic Radford曾在休斯(si)敦的(de)(de)美(mei)國宇(yu)航(hang)局約翰遜航(hang)天中心從事高級機(ji)器人項目工作14年(nian)。他說：“進入水(shui)下(xia)比(bi)進入太(tai)(tai)空(kong)更困難(nan)，太(tai)(tai)空(kong)是(shi)一個原始(shi)的(de)(de)環境，而水(shui)下(xia)的(de)(de)事物是(shi)非常動態(tai)的(de)(de)，我(wo)沒辦(ban)法定論在機(ji)器人在水(shui)下(xia)工作比(bi)在太(tai)(tai)空(kong)中難(nan)10倍還是(shi)50倍。”
Aquanaut可以(yi)從一(yi)艘(sou)專為(wei)遠(yuan)距離巡航設計(ji)的靈活(huo)潛艇變成一(yi)個能夠執行復(fu)雜操作任務(wu)的半人(ren)(ren)形機(ji)器人(ren)(ren)。以(yi)下(xia)是(shi)機(ji)器人(ren)(ren)變化的過程：
1. Aquanaut以(yi)簡化(hua)的潛艇模式前往(wang)海底工作場所。
2. 一(yi)旦機(ji)器人到達現(xian)場，其船體的(de)頂部就會(hui)上升，暴露(lu)出兩個巨大的(de)手臂(bei)和一(yi)個楔形的(de)頭部。
3. 頭(tou)部攜帶立體攝像頭(tou)，3D傳感(gan)器(qi)和聲納系統，旋轉到位。
4. 機器人展開其強大(da)的手臂(bei)，配備力傳(chuan)感器和爪式(shi)夾鉗。
自2014年(nian)Houston Mechatronics成(cheng)立以來，Nic Radford和其他聯合創始(shi)人Matt Ondler和Reg Berka已經籌集(ji)了超過2300萬美元的風險資本。
二、Aquanaut可遠程控制修復深海裝置
我(wo)們所看到和聽(ting)到的(de)關于(yu)海上(shang)石油(you)和天然氣(qi)工業的(de)大(da)多數工作都是在平臺(tai)上(shang)完(wan)成的(de)，人們在平臺(tai)上(shang)從海面(mian)進行水下鉆探作業。 平臺(tai)是整個過程(cheng)中最(zui)明顯的(de)部分，但海床上(shang)也有大(da)量復雜(za)的(de)基礎設施(shi)。
Nic Radford說：“把機器人放在(zai)(zai)偏遠的(de)地方，讓它(ta)們在(zai)(zai)嚴酷(ku)的(de)數(shu)據環境中做有用的(de)工(gong)作，最適合這(zhe)個大(da)問題: 離岸工(gong)作。”
海底的井口(kou)由金屬(shu)組件覆蓋，用于控制碳氫化合物(wu)流(liu)向地表。 這些結構覆蓋著管(guan)道(dao)、閥門、歧管(guan)、和儀表，有(you)些有(you)四層樓那么高(gao)，通常被稱為(wei)“圣誕樹”。
為了對井口進行(xing)日常(chang)維護，或者改變井的輸(shu)出，必(bi)須轉動(dong)“樹”上(shang)的一些閥門，而且在300米以下的深水(shui)井中，潛水(shui)員通常(chang)無法進行(xing)操(cao)作(zuo)，唯(wei)一的方法是(shi)使用機器(qi)人潛水(shui)器(qi)。
幾十年(nian)來，在深水油井上工作(zuo)的(de)既定程序一直是(shi)向油井地點發送遠程操作(zuo)的(de)水下航行器(qi)（ ROV）。 但是(shi)，除了發送ROV本身，還必須派(pai)遣一艘載有(you)訓(xun)練(lian)有(you)素的(de)人員的(de)大型輔助船只(zhi)作(zuo)為ROV的(de)操作(zuo)基地，ROV幾乎(hu)或根本沒有(you)自主權，需要通過(guo)水面人員的(de)操作(zuo)獲得動力和(he)控(kong)制，這(zhe)項工作(zuo)非常昂貴(gui)，每天要花費數萬(wan)到數十萬(wan)美元。
Houston Mechatronics的(de)(de)計劃是減少(shao)水(shui)下機器(qi)人(ren)(ren)對水(shui)面控制的(de)(de)需求，Aquanaut不需要(yao)纜繩(sheng)或支援船。它將以(yi)潛水(shui)艇模(mo)式(shi)前往(wang)其(qi)深海目的(de)(de)地，在那(nei)里它將變形為人(ren)(ren)形，展開手臂進行工作。Aquanaut的(de)(de)每個手臂都裝有力矩傳感器(qi)，并有八個運動(dong)軸，類似于(yu)人(ren)(ren)類手臂。
Aquanaut上的(de)機(ji)械(xie)手臂(bei)還(huan)有(you)能(neng)夠(gou)轉動(dong)水下“圣誕樹”的(de)閥(fa)門，甚至可(ke)以(yi)操作機(ji)器人在內部有(you)效載(zai)荷艙中攜帶的(de)專用維(wei)護工具。
Aquanaut將(jiang)執行由(you)人工(gong)操作員監督但不直接控制的(de)(de)(de)任(ren)務。 任(ren)務完成后，機器人將(jiang)自(zi)動返回。Nic Radford表示，這(zhe)種方法(fa)將(jiang)使Aquanaut的(de)(de)(de)部署(shu)速度更快，運營(ying)成本也比現在的(de)(de)(de)ROV更低。 他估計，成本可能遠低于(yu)傳(chuan)統(tong)業務市(shi)場價格的(de)(de)(de)一半。
經過無數次的(de)(de)迭代(dai)設計(ji)后(hou)，Aquanaut終于誕生了(le)，但(dan)在真正進入海(hai)底(di)工作之前(qian)，它還(huan)需要在更加可控的(de)(de)條件(jian)下證明(ming)自己，這就意味著Aquanaut還(huan)要在NASA的(de)(de)泳(yong)(yong)池里先(xian)練習“游泳(yong)(yong)”。
美國宇航局中(zhong)性浮力實驗室(shi)（NBL）可以(yi)容納2350萬升水，最大(da)深(shen)度為12米，足(zu)以(yi)容納國際空(kong)間站大(da)部(bu)分的全(quan)尺寸模型。2019年3月下旬，Houston Mechatronics已經部(bu)分接管了NBL，來測試Aquanaut。
在(zai)水下(xia)10米處，Evan Ackerman背著兩個氮氣罐(guan)，在(zai)水中跟(gen)蹤機(ji)器(qi)人。到(dao)目(mu)前為止，Aquanaut已經順利進(jin)行了8天的(de)測試(shi)，唯一的(de)問題是手臂出(chu)現了通訊故障，但Houston Mechatronics并不擔(dan)心，他(ta)們知道要使Aquanaut能達到(dao)真正的(de)工(gong)(gong)作(zuo)標準，還有很多工(gong)(gong)作(zuo)要做(zuo)。
三、Aquanaut應用面臨三大難題
根據海(hai)底技術先驅Chuck Richards的(de)(de)說法，過去幾年的(de)(de)低油價削減了(le)利潤，導致石(shi)油公(gong)司之間的(de)(de)競爭加劇，推動了(le)新技術的(de)(de)采用。 Chuck Richards的(de)(de)在休斯(si)敦(dun)的(de)(de)公(gong)司CA Richards＆Associates為數十家(jia)海(hai)底公(gong)司提供設(she)備，其(qi)中(zhong)包括(kuo)Houston Mechatronics公(gong)司。
Aquanaut相(xiang)對(dui)于(yu)傳統ROV的主要優勢(shi)在(zai)于(yu)其不受限(xian)制的操作。Houston Mechatronics必須解決(jue)幾個關鍵問題才能(neng)實現其功能(neng)。
首先是讓機器人在(zai)(zai)沒有大(da)型支援船只的(de)情況下(xia)到達(da)(da)海上(shang)工地(di)(di)。Aquanaut在(zai)(zai)潛艇模式(shi)下(xia)可以行駛200多公(gong)里，到達(da)(da)目的(de)地(di)(di)后將(jiang)自動轉(zhuan)換成ROV模式(shi)，隱藏在(zai)(zai)船體內部的(de)附加推進器能使其更具有機動性。
機器人變形(xing)的(de)(de)過程是另外一個(ge)重大挑戰(zhan)，也(ye)是Houston Mechatronics內部一直在爭(zheng)論的(de)(de)焦點。Aquanaut的(de)(de)首席工程師Sandeep Yayathi認為，建造Aquanaut的(de)(de)好處遠超其復雜性帶(dai)來的(de)(de)困難(nan)，最終(zhong)他們(men)還是決定(ding)突(tu)破重重困難(nan)完成Aquanaut的(de)(de)設計。
為了(le)使(shi)Aquanaut能夠如此大幅度(du)地(di)改變其形狀(zhuang)，該機(ji)器人配備了(le)四個定(ding)制(zhi)的(de)線性驅動(dong)(dong)(dong)器，將機(ji)器人的(de)上半身和(he)下半身分開(kai)。額外(wai)的(de)電(dian)機(ji)，也是高度(du)定(ding)制(zhi)的(de)，安(an)裝在防水外(wai)殼(ke)中，驅動(dong)(dong)(dong)手臂和(he)頭(tou)部。 在動(dong)(dong)(dong)力方面Aquanaut使(shi)用了(le)一種類似于電(dian)動(dong)(dong)(dong)汽車使(shi)用的(de)鋰離子電(dian)池。從(cong)潛艇(ting)到機(ji)器人的(de)完整轉換只需(xu)要30秒就可以完成。
也許(xu)這些(xie)挑戰都不如設(she)計Aquanaut的控制(zhi)系統那么重要。傳統的ROV具(ju)有多個實時(shi)攝像機(ji)進行視頻傳輸，人類操作員可以(yi)實時(shi)操縱這些(xie)機(ji)器人。
Aquanaut的(de)唯一通信(xin)方法(fa)是通過(guo)一個聲學調(diao)(diao)制(zhi)調(diao)(diao)節器進行，這(zhe)項成熟的(de)技術雖然(ran)在水(shui)下(xia)有(you)(you)幾(ji)十(shi)公(gong)里的(de)范圍，但(dan)同時具(ju)有(you)(you)高延遲和底(di)帶寬的(de)劣勢，它的(de)傳(chuan)輸速度最(zui)快只有(you)(you)幾(ji)千字(zi)節每秒。Houston Mechatronics計劃(hua)依靠小型無人(ren)水(shui)面艦艇作為機器人(ren)和通信(xin)衛星之間的(de)中(zhong)繼站，以便(bian)于在任何(he)地方控制(zhi)Aquanaut。
Houston Mechatronics計劃(hua)對(dui)Aquanaut進行高級(ji)監督控制，將(jiang)(jiang)大(da)多(duo)數(shu)低(di)級(ji)決策委托給機(ji)器(qi)人(ren)的(de)機(ji)載(zai)計算(suan)機(ji)。這些計算(suan)機(ji)運行機(ji)器(qi)人(ren)操(cao)作(zuo)系統(tong)（ROS），這是(shi)一個(ge)用于研究和(he)商業機(ji)器(qi)人(ren)的(de)流行軟件平臺。機(ji)器(qi)人(ren)利用頭部(bu)的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)組件，包括立體攝像機(ji)、結構(gou)光(guang)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)和(he)聲納系統(tong)，構(gou)建出周(zhou)圍環境(jing)的(de)詳細3D渲染圖。Aquanaut將(jiang)(jiang)高度(du)壓縮的(de)子(zi)部(bu)分傳(chuan)輸給操(cao)作(zuo)員(yuan)，將(jiang)(jiang)它們與現有的(de)結構(gou)模型進行匹(pi)配。
然后，操作員發出簡單的指(zhi)令，比如“將閥門在這些坐標處(chu)順時(shi)針旋(xuan)轉(zhuan)90度。”機(ji)器(qi)人(ren)(ren)將自主(zhu)決定如何抓住閥門以及轉(zhuan)動(dong)時(shi)施加多(duo)少力(li)，并(bing)在完成(cheng)任(ren)務后發回確認信息(xi)。操作員仍在指(zhi)揮機(ji)器(qi)人(ren)(ren)的動(dong)作，但是不需(xu)要手(shou)動(dong)操作機(ji)器(qi)人(ren)(ren)，也(ye)不需(xu)要高帶寬的實時(shi)視(shi)頻傳輸。
四、Aquanaut將有可達3000米深海放大版本
Houston Mechatronics的(de)長(chang)期計劃是(shi)將Aquanaut的(de)能力(li)作為一種服(fu)務出售(shou)，使用分(fen)布在(zai)北海或(huo)加利福尼亞沿(yan)海地區的(de)小型(xing)機器(qi)人艦隊，石油和天然(ran)氣公司只(zhi)需要簡單(dan)地要求完成指(zhi)定(ding)的(de)任務，Houston Mechatronics就會安排最(zui)近的(de)機器(qi)人來處理它(ta)。
Nic Radford說：“操作(zuo)單一傳(chuan)統(tong)ROV大(da)約需要7個(ge)人(ren)(ren)，我們認為我們可以(yi)反過(guo)來(lai)，一個(ge)人(ren)(ren)可以(yi)操作(zuo)7個(ge)Aquanaut”
休斯頓大學機(ji)械工(gong)程教授兼國(guo)際海(hai)底工(gong)程研究主任Matthew A. Franchek表示，由(you)于低帶寬連(lian)接和操作員只是在循環(huan)(huan)中間歇性地運行，因此出現(xian)問題的風險可能更高。他說：“Aquanaut具有很(hen)強的不確定(ding)性，我擔心(xin)在操作過程中出現(xian)故障(zhang)，這(zhe)(zhe)可能會帶來財務和環(huan)(huan)境(jing)方(fang)面的嚴重后果。雖然這(zhe)(zhe)項技術令(ling)人興奮，但(dan)他們需(xu)要證明它能夠發揮(hui)作用。”
當前版(ban)本的(de)(de)Aquanaut主要是一(yi)個(ge)演示和(he)測試平臺，專為(wei)相對(dui)較淺的(de)(de)水而設計，最大操作深度(du)為(wei)300米(mi)。雖然這個(ge)版(ban)本可(ke)以(yi)(yi)在世界許多地(di)方進行商業運營，但(dan)Houston Mechatronics已經在設計一(yi)個(ge)可(ke)以(yi)(yi)行駛數百公里并達到3000米(mi)深度(du)的(de)(de)放大版(ban)本，可(ke)以(yi)(yi)為(wei)墨西哥灣等地(di)區提供(gong)服(fu)務。
結語：水下機器人或將完成更多非商業性工作
商業運營(ying)并不是Houston Mechatronics為Aquanaut所做的唯一(yi)(yi)(yi)探索。2018年底(di)(di)(di)，美國(guo)國(guo)防部高級研究(jiu)計劃(hua)局(ju)宣布了(le)一(yi)(yi)(yi)項名為Angler的計劃(hua)，旨在“開發一(yi)(yi)(yi)種海(hai)底(di)(di)(di)自治系統，可以(yi)導(dao)航并物(wu)理操(cao)縱(zong)海(hai)底(di)(di)(di)物(wu)體。”美國(guo)國(guo)防部高級研究(jiu)計劃(hua)局(ju)在發布聲明時附上(shang)了(le)一(yi)(yi)(yi)個(ge)帶有兩(liang)條手臂的流線型機器人(ren)潛水艇(ting)圖像，這一(yi)(yi)(yi)概念對(dui)Houston Mechatronics公司來說是個(ge)好機會。
Aquanaut已經(jing)為下(xia)(xia)一次NBL測試(shi)做好(hao)(hao)了準備。它的(de)(de)第一次開(kai)放(fang)水域演示可能會在八月份(fen)在羅(luo)德島舉行的(de)(de)海軍技術演習中(zhong)進(jin)行。Nic Radford表示，從事大膽創新的(de)(de)工作是他的(de)(de)興趣，它們將(jiang)證明(ming)有更好(hao)(hao)、更具(ju)成本效益的(de)(de)方式完成水下(xia)(xia)工作。
原文來自：IEEE Spectrum
