机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。近日，我国水下机器人捷报频传。
“探索4500”在中国第12次北极科考中，成功完成北极高纬度海冰覆盖区科考任务。这是我国首次利用自主水下机器人在北极高纬度地区开展近海底科考应用，其成功下潜为北极环境调查研究提供了一种新的探测手段，将为我国深度参与北极环境保护提供重要的科学支撑。
“海斗一号”全海深自主遥控潜水器在刚刚结束的我国马里亚纳海沟深渊科学考察中取得世界级成果，在国际上首次实现了对“挑战者深渊”西部凹陷区的大范围全覆盖声学巡航探测。其成功应用，表明了我国全海深无人潜水器正式跨入万米科考应用的新阶段，填补了当前国际上全海深无人潜水器万米科考应用的空白。
什么是海洋机器人？
海洋机器人（unmanned marine vehicles，UMV）是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一，亦是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展所必需的一种高技术手段。
海洋机器人在机器人学领域属于服务机器人类，它包括水下机器人（unmanned underwater vehicles，UUV）与水面机器人（unmanned surface vehicles，USV）。“水下机器人”包括有缆遥控水下机器人（remotely operated vehicles，ROV）和自主水下机器人（autonomous underwater vehicles，AUV）2大类。世界海洋机器人发展的历史大约70年，经历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。我国的科研人员用了大约一半的时间走过了这一历程。
加拿大国际潜水器工程公司（ISE）总裁麦克·法兰将海洋机器人的发展历史分为4个阶段，并将前3个阶段称为革命（revolution）：第一次革命在20世纪60年代，以载人潜水器为标志；第二次革命为70年代，以遥控水下机器人的迅速发展为特征；第三次革命大体为80年代，以自主水下机器人的发展和水面机器人（USV）的出现为标志。如今则是混合型海洋机器人的时代。
我国海洋机器人研究历程
20世纪70年代末期，为了使我国的海洋机器人技术早日跻身国际先进行列及适应海洋开发的需要，我国开始着手海洋机器人的研制工作，中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈阳自动化研究所）是我国较早开展海洋机器人研究的单位之一，本次参与北极科考的“探索4500”自主水下机器人就是由该所研发完成的。 我国的海洋机器人事业稳步发展，其研究开发的过程从一个侧面反映了我国海洋机器人事业的发展。其历程大体分为3个阶段。
起步
自主探索（20世纪70年代末至80年代中期）
沈阳自动化研究所的研究工作起于第二代遥控水下机器人。1979年以蒋新松院士为首的团队在国内最早提出了海洋机器人研究计划。1981年，沈阳自动化研究所承担了中国科学院支持的“智能机器在海洋中应用研究”，即“海人一号（HR—01）”课题，开始研制我国第一台作业型遥控水下机器人，其总功率20马力，最大作业水深200米，装有6功能带有触觉的主从伺服机械手，包括电动主手和液压从手，主、从手之间采用双向反馈形成力感，并以当时较为先进的多片微控制器构成了相当于机器人大脑和神经的控制和通信系统。
该机器人以海洋石油开发、打捞救生作业等为应用背景，课题研究工作得到上海交通大学的大力合作，进展顺利，1985年完成了首航，1986年改进后的“海人一号”完成了海上试验。“海人一号”是我国科研人员完全依靠自主技术和立足于国内的配套条件开展的研究工作，是我国水下机器人发展史上的一个重要里程碑事件。
“海人一号”的研究进展加深了科研人员对这种海洋装备的科学认识，积累了技术及经验，锻炼了人才，培养了队伍。当时，对于我国是否应当大力发展机器人产业是有争论的，“海人一号”的成功对后来我国机器人研发和产业化起到了促进作用。经媒体报道后，水下机器人潜在的应用前景引起了国内、外的关注。此后国内的相关科研力量开始向这一方向聚焦。“海人一号”属原理样机，距离实用还有很大距离，这也使我们认识到我们与国际先进水平的差距，以及向国外同行学习的必要性。“海人一号”的成功为后来国际合作奠定了技术基础。
与此同时，沈阳自动化研究所又开发了小型遥控水下机器人“金鱼”号，六足步行海底机器人“海蟹”号和“海潜”号等多种类型遥控水下机器人，分别应用于水库大坝拦污栅检查、石油钻井平台、海底探查、救助打捞、水电站大坝检测等场合。
合作
共谋发展（20世纪80年代后期至20世纪末）
1986年，沈阳自动化研究所与美国佩瑞公司签订了“RECON—IV”中型水下机器人技术引进合同，仅就技术复杂程度而言，“RECON—IV”远不及“海人一号”，但是“RECON—IV”是国际上有知名度的实用产品，实用化是我们需要弥补的差距，“RECON—IV”的电子设备全部集中于水面控制台，水下部分仅为执行器和传感器，整机系统可靠性高和易于维护。当时国内水下机器人还是新事物，没有相关配套条件，90%以上的零部件均需进口，例如，水下机械手及作业工具、水下电机、系缆、铠装主缆、浮力材料、各种传感器、水下摄像机、水下照明灯及云台、水密接插件等，甚至连紧固件都需要进口。
随后在国家有关部门支持下开展了国产化工作，十多个单位与沈阳自动化研究所共同攻关，经过3年的努力，国产化取得很大进展，所需进口的部件全面国产化，但是大量采用国产零部件后的“RECON—IV”整机可靠性大幅度降低，以至于在海上服务时故障多，用户不满意，同时需要大量备品配件支撑，使得总成本大幅度增加。后来，降低国产化零部件的比例至大约80%才使性能稳定下来。国产化零部件需要一个通过实践不断改进和完善的过程，还需要研制单位的重视和坚持，需要很大的投入。由于这类装备数量不大，没有国家政策的支持和扶植就会夭折。
随着国产“RECON—IV—300—SIA”的诞生和走向海洋石油生产现场，科研骨干们也分期、分批走上海洋石油钻井平台，参加现场作业值班和实际操作。现场环境和实际生产过程的复杂性、多变性、突发性、紧张性以及设备适应性、操作便利性及如何实现进一步提高效率等实际问题使科研人员有了深刻的体会，他们的感性认识得到大幅度提升，这些融化在他们的科研理念和设计思想中。人的科研素质和能力的提高对沈阳自动化研究所的研究水平提升起到至关重要的作用。
1990年，“RECON—IV—300—SIA”首次销往国际市场，我国第一次有了可以参与国际招标竞争的水下机器人产品。此后，多次在国际招标中中标并在我国南海石油钻井平台上服务，同时为国内有关部门提供了20多套各种类型的遥控水下机器人系统，成为国内唯一向国内外市场提供海洋机器人产品并提供各种技术支持和水下工程服务的单位。目前，沈阳自动化研究所不仅可为用户定制潜深1000米以浅的各类遥控水下机器人产品，还能提供水下灯、云台、多种类型水密接插件、水下伺服机械手、开关机械手、水下作业工具（如清洗、切割、更换牺牲阳极、回收大型沉物夹持器）、人机交互设备总成、具有防摆止荡功能的大型甲板成套布放与回收设备等。
自主水下机器人没有电缆、自带能源、不靠遥控、依靠机载自主能力执行作业，是用机器智力代替人的智力的先进的第三代水下机器人，其潜在应用意义巨大。从80年代末期起，沈阳自动化研究所与702所、中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学等单位组成团队，在国家863计划支持下，完全依靠自主技术开展研究，利用3年时间研制成功我国第一台潜深1000米的自主水下机器人——“探索者”号。
“探索者”号与它的总设计师封锡盛院士（图片来源：中国科学院）
“探索者”号在深潜技术、自主控制、规划与驾驶、先进电子及计算机系统和软件、导航定位、避碰、故障诊断、视觉导引、全自动布放与回收、地形地貌探测、水声通信、流体动力学设计、建模、推进、抗高水压动力单元等领域进行了全面探索和开发。这些为我国自主水下机器人的发展奠定了坚实的基础。
从1992年开始，沈阳自动化研究所与俄罗斯海洋技术问题研究所合作，着手研制6000米级自主水下机器人——“CR—01”。俄罗斯海洋技术问题研究所此前研制的MT—88是其第八套该级别的自主水下机器人，具有较为成熟的深水机器人技术，特别在结构、材料、密封、总体集成、软件、传感器以及深海工作经验等方面具有长处，但在电子及计算机、流体动力学、浅地层剖面声呐和测深测扫声呐的电子信号处理等方面中方优势明显。中俄双方专家经过四轮的联合设计，融合了各方的长处，确定了“CR—01”的总体方案。“CR—01”于1995年研制成功，分别于1995年、1997年两次赴太平洋我国多金属结核开辟区开展调查工作，获得了大量的海底多金属结核录像、照片及声图资料，为开辟区资源勘查提供了重要的依据。上述一系列成果使我国一跃成为世界上少数拥有该项技术和设备的国家之一。“CR—01”被评为1997年中国十大科技进展之一，同年获中国科学院科技进步特等奖和综合重大成果奖。
在“CR—01”研制成功的基础上，又以中方向俄方采购部件的方式研制了“CR—02”。与“CR—01”相比，“CR—02”具有适应复杂地形的能力。近年来，在上述基础上，沈阳自动化研究所又自主研制出新一代的6000米级自主机器人“潜龙”一号，其安全性、可靠性、海上工作的适应性、续航时间和各种探测设备的性能有了大幅度提高。为了适应海底通信业发展的需要，90年代末期，沈阳自动化研究所与意大利Sonsub公司合作，联合开发了海底行走式遥控水下机器人“海星”号。“海星”号又称自走式海缆埋设机，重量小于10吨，潜深300米，有2只强壮的机械手，用于抓取海床上的通信光缆，能以500米/小时速度将海底光电缆与接驳盒埋入海底1.5米深处。这是国内首次研制的大型、作业能力强的海底行走机器人，该项目的研制成功使我国在水下机器人大功率高电压传输、大深度、强作业型机器人的研制方面积累了经验，也为后续研制大型遥控水下机器人打下了基础。
创新
自主研发（21世纪至今）
进入21世纪，沈阳自动化研究所进入自主创新研发海洋机器人的时期。2002年，沈阳自动化研究所着手研制自治/遥控水下机器人ARV。ARV是一种集AUV和ROV技术特点于一身的第四代混合型水下机器人，它具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式，自带能源并携带光纤微缆。2005～2008年，先后研制成功三型ARV（SARV—A，SARV—R和北极ARV）。
其中北极ARV在2008和2010年分别参加了中国第三次、第四次北极科考，获取了大量有价值的试验科考数据，创造了我国水下机器人在高纬度下开展冰下调查的记录，为水下机器人技术后续发展和在北极科考中的应用奠定了技术基础，也提升了我国水下机器人技术水平和国际影响力。其成果受到了国内外同行和新闻媒体的广泛关注。
在全面掌握了深水自主水下机器人技术的基础上，沈阳自动化研究所联合国内多家单位，历经十年，研究并突破了智能控制、精确导航、高效能源应用、海洋环境观测、海底地形地貌探测等关键技术，历经几百次湖上和海上试验，于2010年研制成功我国首型长航程自主水下机器人，创造并多次刷新了我国AUV一次下水连续航行距离和航行时间的记录，标志着我国已全面掌握了长航程自主水下机器人的技术，并迈入国际先进水平。
2011年11月，受中国大洋协会委托，中科院沈阳自动化所联合中科院声学所、哈工程大学正式启动6000米AUV项目，开始研制中国自己的、可以深入水下6000米的无人无缆潜器。
“潜龙一号”是中国大洋矿产资源研究开发协会办公室支持研制的我国首台实用化6000米级AUV，以海底多金属结核资源调查为目的，主要进行海底地形地貌、地质结构、海底流场、海洋环境参数和光学探测等精细调查。
2013年9月，“潜龙一号”首次赴太平洋多金属结核区执行调查任务，截止目前，“潜龙一号”累计在多金属结核区等区域作业40次。“潜龙一号”的续航时间是30h，最大工作深度为6000m，能覆盖全球97%的海域面积，其搭载了我国自主研发的测深侧扫声呐、浅地层剖面仪、国产高清照相机，也搭载了CTD等多种水文探测传感器，具有大范围声学调查和近海底光学调查两种工作模式。“潜龙一号”支持长基线和超短基线两种定位模式，用户根据任务需求自行选择。在研制过程中，“潜龙一号”AUV重点解决了深海AUV组合导航定位技术、深海AUV动力定位技术，为后续深海AUV的发展奠定了坚实的技术基础。
不久，“潜龙二号”成功研制， 潜龙二号”4500米级AUV是“十二五”国家863海洋技术领域支持研制的重大项目，是为西南印度洋热液资源勘察而专门设计的AUV，也是首台在西南印度洋洋中脊执行热液科学调查的国产AUV，“潜龙二号”是立扁仿鱼形流体外形，采用4个可旋转推进器的动力布局，最大深度4500m，续航时间30h，针对多金属硫化物矿区需求研制，在机动性、避碰能力、快速三维地形地貌成图、浮力材料国产化方面均有较大提高，为我国海底多金属硫化物调查和勘探提供了高效、精细、综合的先进手段。
2015年12月，“潜龙二号”在西南印度洋洋中脊热液区发现了多处热液异常现象，这也是我国AUV首次在洋中脊发现热液异常。
“探索4500”AUV是中国科学院战略性先导科技专项支持研发的4500米级AUV，其主要技术指标与“潜龙二号”基本相同，只是由于“探索4500”搭载了更多种类的科学探测载荷，其水下工作时间缩减到20h。它主要用于冷泉区近海底的声光调查，也是我国首台用于冷泉科考的国产AUV。
2016年7月，“探索4500”AUV在南海完成海试后，紧接着在我国南海北部冷泉区开展了试验性应用，这是它首次在我国南海冷泉区开展科学考察，已成为我国冷泉科学调查的标准装备。
2017年7月，基于“科学”船，“探索4500”AUV与“发现”ROV在我国南海北部冷泉区开展了我国首次AUV和ROV的协同联合作业试验，开创了海洋科考作业的新模式。
10月7日，中国科学院沈阳自动化研究所发布消息称，“探索4500”在中国第12次北极科考中，成功完成北极高纬度海冰覆盖区科考任务。
为了迈向深海，2016年7月“海斗 一号”立项，由科技部“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项支持，由中科院沈阳自动化所牵头联合国内十余家科研单位共同攻关，旨在研制一款具有完全自主知识产权、集探测与作业一体化设计和自主遥控多操控模式相结合的万米深潜装备，为我国深渊科学研究提供一种先进的全新高技术手段。
“海斗一号”科研团队集智攻关，突破了多项关键核心技术，并开展了系列测试验证。“海斗一号”于2019年8月完成了南海4500米阶段性海试，于2020年5月实现了马里亚纳海沟的首次万米成功下潜，入选了2020年两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”。
10月10日，中国科学院沈阳自动化研究所对外发布，在刚刚结束的我国马里亚纳海沟深渊科学考察中，由该所主持研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器）取得世界级成果，在国际上首次实现了对“挑战者深渊”西部凹陷区的大范围全覆盖声学巡航探测。其成功应用，表明了我国全海深无人潜水器正式跨入万米科考应用的新阶段，填补了当前国际上全海深无人潜水器万米科考应用的空白。
“海斗一号”连续万米深潜与科考应用的成功，是我国海洋科技领域的一个重要里程碑，标志着我国无人潜水器技术与装备进入了全海深探测与作业应用的新阶段，标志着我国在全海深无人潜水器领域正在迈向国际领先水平，正在实现由“并跑”向“领跑”的转变。
多年来，我国的海洋机器人研究开发工作，实现了从遥控到自主，从浅水200米到深水万米，从航程几十公里到远海几百公里，从单机到集群，从水中扩展到海底和海面，从概念研究到产品研发、应用及服务的技术跨越，实现了从跟踪研究到自主研发，从市场牵引创新向市场牵引创新与创新引领市场并举的转变。
展望
海洋机器人作为一种装备归于高端制造业，属于国家支持的战略新兴产业范畴，虽然其体量短时间内不会很大，但具有战略制高点的作用。总的来说，海洋空间不适合人类的生存，大规模开发和利用海洋资源对机器人和机器人技术有很大的期待和依赖。以机器人代替人推动和实现海洋装备无人化具有深远的战略意义。有人海洋平台，包括民船和军船，都在走数字化、自动化、少人化和无人化这条发展路线，而无人化本质上就是机器人化，这是今后海洋装备发展的潮流，也是意义深远的战略方向。
过去人们面对浩瀚的海洋只能望洋兴叹，海洋机器人的出现和发展，将人的眼、手、足延伸进了海洋空间，替身海洋机器人承载着人类的寄托和梦想，将代替人巡游海洋的任何角落，去发现、认识和研究海洋。人类来自海洋，但是人类已经无法返回故乡，海洋机器人正在圆人类回乡之梦。
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