■走在教育強(qiáng)國大路上 支撐高水平科技自立自強(qiáng)
■團(tuán)隊研制出的深??煽厥娇梢暬蓸悠鳎黄屏宋覈F(xiàn)有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統(tǒng)的功能局限性,將精確探測和精細(xì)采樣有機(jī)集成,填補(bǔ)了我國深海精細(xì)采樣的技術(shù)空白,為我國實施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備
■科研項目要面向國家重大需求,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)自動化系宋士吉教授團(tuán)隊研制的深海可控式可視化采樣器搭載“大洋號”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”,先后完成2500米、4500米深海底試驗。
2015年,清華大學(xué)自動化系宋士吉團(tuán)隊提出的“深??煽厥娇梢暬蓸悠麝P(guān)鍵技術(shù)研究與樣機(jī)研制”獲批為國家自然科學(xué)基金委重大科學(xué)儀器研制項目。8年多來,團(tuán)隊圍繞“精準(zhǔn)”和“智能”技術(shù)開展工作,研制出的深??煽厥娇梢暬蓸悠鳎黄屏宋覈F(xiàn)有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統(tǒng)的功能局限性,將精確探測和精細(xì)采樣有機(jī)集成,具備交互式作業(yè)、精確運(yùn)動控制、熱液異常智能搜索等功能,填補(bǔ)了我國深海精細(xì)采樣的技術(shù)空白,性能達(dá)到國際先進(jìn)水平,為我國實施“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競爭的焦點。
長期以來,深海資源探測開發(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)了一個國家科技實力和高端制造業(yè)的水平。
而走上深??煽厥娇梢暬蓸悠鞯难兄浦罚瑢λ问考獊碚f,是偶然更是必然。
2012年暑期,宋士吉作為中國大洋事務(wù)管理局信息系統(tǒng)領(lǐng)域的責(zé)任專家,隨同“大洋一號”科考船進(jìn)行科學(xué)調(diào)查。在深?!盁嵋簠^(qū)”探測過程中,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,找到熱液異常點位置后,再放“抓斗”下去采樣。
“正如刻舟求劍一樣,在拖體探測到的熱液異常點上設(shè)備無法完成采樣,需要依賴船舶動力定位系統(tǒng)和人工操作經(jīng)驗,反復(fù)調(diào)整船舶位置才能找到被探測到的熱液異常定位點,完成這兩個過程非常耗時,經(jīng)常需要持續(xù)尋找數(shù)小時甚至更久;而在抓斗進(jìn)行抓挖的過程中,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?!彼问考f。
如何才能使探測和采樣兩種作業(yè)一次性完成?如何實現(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的一些偏差?
宋士吉團(tuán)隊著力在智能化和一體化方面下功夫。
“我們研制的深海可控式可視化采樣器,具有小范圍自主移動的功能,重點突出作業(yè)過程的一體化和智能化,即能夠根據(jù)探測到的海底熱液異常信息自動調(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)?!彼问考f,而且在大范圍探測和精準(zhǔn)采樣過程中,實現(xiàn)了海底作業(yè)的可視化,母船甲板監(jiān)控端能夠?qū)崟r監(jiān)測到海底地形、環(huán)境信息及采樣器作業(yè)過程的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。與國外先進(jìn)的深海采樣器相比,該設(shè)備也具有明顯優(yōu)勢:一是海底作業(yè)過程在線智能搜索目標(biāo);二是采樣過程的智能操控作業(yè);三是采樣器還具備一機(jī)多能的特點。
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米時出現(xiàn)故障,團(tuán)隊及時更換了采樣器水下驅(qū)動艙部件,繼續(xù)進(jìn)行水下試驗工作。2020年1月,設(shè)備搭載“大洋號”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、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,深海探測面臨著很多難題,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、探測、抓取等精細(xì)動作更難上加難,因而對儀器設(shè)備材料的抗壓性能要求極高。二是深海環(huán)境對海底設(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、識別并評價地震、電磁、巖石物理模型等地質(zhì)資源數(shù)據(jù),對設(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的路?!眻F(tuán)隊核心技術(shù)成員、清華大學(xué)自動化系副教授黃高說。
從2009年開始,黃高就加入了團(tuán)隊,從項目論證、申請到研發(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,實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的智能識別、跟蹤、精準(zhǔn)采樣?
“我們重點從兩個方面攻關(guān),一是智能感知,通過擴(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),目前已實現(xiàn)深海常見物體80%的檢測準(zhǔn)確率,實現(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)行實時跟蹤與定位?!秉S高說。
深??煽厥娇梢暬蓸悠鞯某晒ρ兄?,也離不開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),以及廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境國家重點實驗室在深海調(diào)查領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗……
“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,尤其是像我們的深海可控式可視化采樣器的研制,屬于國家重大科學(xué)儀器研制項目,有重大工程驅(qū)動和明確的國家需求和牽引,在研發(fā)過程中,不僅解決了實際應(yīng)用中的問題,也從真實需求中提煉科學(xué)問題,促進(jìn)了學(xué)科的發(fā)展。
“要做就要比國外做得好”
深海蘊(yùn)藏著地球上未被認(rèn)知和開發(fā)的寶藏。進(jìn)入21世紀(jì),深海技術(shù)已成為世界各國的重點發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域。
“深海競爭實質(zhì)上是綜合國力和高技術(shù)能力的競爭,深海高新技術(shù)集中體現(xiàn)了一個國家的綜合技術(shù)實力?!彼问考f,以深海硫化物礦區(qū)探測為例,目前全球已探測出250多個深海硫化物礦區(qū),據(jù)科學(xué)家估計,仍有一半未被人類探測到。深??煽厥娇梢暬蓸悠鞯壬畈抠Y源探測核心裝備的自主研制成功,為我國實施“攻深探盲”提供了關(guān)鍵技術(shù)與裝備,為我國資源能源安全保障體系提供了有力的技術(shù)支持。
“實踐出真知,科研項目要面向國家重大需求,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)隊資深專家、中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系教授吳澄說,“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、國家發(fā)展亟待解決的技術(shù)難題,而且要做就要比國外做得好?!?/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,要契合國家需求并具有挑戰(zhàn)性。二是理論聯(lián)系實際,要緊扣工程實際需求,提煉并解決科學(xué)和技術(shù)難題。再就是多學(xué)科、多團(tuán)隊的精誠合作?!?/p>
近期,團(tuán)隊在采樣器設(shè)計上又進(jìn)行了升級,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,實現(xiàn)了“精確撿取”的功能。在系統(tǒng)設(shè)計方面采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動抓斗和機(jī)械手,如遇被卡住的情況,將實現(xiàn)上下模塊自動分離,保留設(shè)備核心模塊并及時把采樣器回收至甲板。
“深海技術(shù)未來一定是走向智能化和無人化的?!彼问考f,長航時、超高速、智能化、無人潛水器技術(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,將是未來的發(fā)展方向和競爭焦點。
《中國教育報》2024年08月14日第1版
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