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厘米級(jí)精準(zhǔn)！360°靈動(dòng)！哈工程“海龜”水下機(jī)器人開啟探測(cè)新篇

來源：責(zé)編：時(shí)間：2025-09-23 11:21:40 23觀看

導(dǎo)讀在南海的碧波之下，一臺(tái)直徑約70厘米的水下機(jī)器人正以優(yōu)雅姿態(tài)穿梭于珊瑚礁間。它緊貼海底，與礁盤僅隔數(shù)厘米，航行時(shí)掀起的沉積物微乎其微，即使魚群從旁掠過，也能靈活調(diào)整方向，如飛盤般輕盈地避開障礙。這臺(tái)名為“海龜”的敏

在南海的碧波之下，一臺(tái)直徑約70厘米的水下機(jī)器人正以優(yōu)雅姿態(tài)穿梭于珊瑚礁間。它緊貼海底，與礁盤僅隔數(shù)厘米，航行時(shí)掀起的沉積物微乎其微，即使魚群從旁掠過，也能靈活調(diào)整方向，如飛盤般輕盈地避開障礙。這臺(tái)名為“海龜”的敏捷型水下機(jī)器人，由哈爾濱工程大學(xué)船舶與工程學(xué)院王剛教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，標(biāo)志著水下探測(cè)技術(shù)向精準(zhǔn)、高效、環(huán)保方向邁出了關(guān)鍵一步。

傳統(tǒng)水下機(jī)器人常因螺旋槳攪動(dòng)泥沙而破壞海底生態(tài)，觀測(cè)數(shù)據(jù)也因沉積物干擾變得模糊。全球珊瑚礁退化問題日益嚴(yán)峻，但潛水員每年僅能在有限時(shí)間內(nèi)觀測(cè)，且無法觸及深水區(qū)。王剛團(tuán)隊(duì)在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上捕捉到這一痛點(diǎn)后，將研究目光轉(zhuǎn)向海洋生物，試圖從自然中尋找解決方案。經(jīng)過對(duì)數(shù)十種海底動(dòng)物的研究，他們發(fā)現(xiàn)海龜傾斜拍動(dòng)前肢的推進(jìn)方式既能減少水體擾動(dòng)，又能保持高效推進(jìn)，這為機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了靈感。

然而，將生物特性轉(zhuǎn)化為技術(shù)方案并非易事。團(tuán)隊(duì)成員劉開鑫回憶，設(shè)計(jì)過程中，機(jī)器人的形狀和推進(jìn)器布局對(duì)上升速度影響顯著，但無前例可循。他們通過建立數(shù)學(xué)模型，探究機(jī)器人、推力和速度之間的關(guān)系，最終推導(dǎo)出低擾動(dòng)航行性能與推進(jìn)器布局及外形參數(shù)的數(shù)學(xué)公式。這一公式使研發(fā)初期即可預(yù)測(cè)機(jī)器人構(gòu)型的低擾動(dòng)性能，無需反復(fù)試驗(yàn)，極大提高了效率。對(duì)比試驗(yàn)顯示，傳統(tǒng)機(jī)器人靠近海底時(shí)激起半米高的泥沙云，而“海龜”機(jī)器人幾乎不泛起漣漪，沉積物干擾降低90%，實(shí)現(xiàn)了近海底環(huán)境觀測(cè)的厘米級(jí)突破。

為滿足珊瑚觀測(cè)需求，“海龜”機(jī)器人需貼近海底工作，距離珊瑚不超過1米，以捕捉顏色細(xì)節(jié)。這要求機(jī)器人具備超高靈敏度，能瞬時(shí)調(diào)整姿態(tài)。傳統(tǒng)水下機(jī)器人依賴“定點(diǎn)跟蹤”模式，類似地面車輛按既定路線行駛，無法在狹小縫隙中側(cè)身穿過。團(tuán)隊(duì)提出將姿態(tài)信息融入算法，使機(jī)器人如章魚觸手般靈活，實(shí)現(xiàn)360度自由調(diào)整姿態(tài)。王剛解釋，這一創(chuàng)新如同為機(jī)器人增添了“手腕”，使其能全向旋轉(zhuǎn)。

在穩(wěn)定性提升方面，團(tuán)隊(duì)曾面臨傳感器噪聲放大的難題。直接獲取角加速度需進(jìn)行微分，會(huì)將噪聲放大200倍。劉開鑫突發(fā)靈感，提出“三點(diǎn)慣性測(cè)量感知方法”，通過將測(cè)試點(diǎn)移至機(jī)器人兩端，用半徑乘以切向加速度直接獲得角加速度。實(shí)驗(yàn)顯示，搭載該方法的機(jī)器人數(shù)據(jù)噪聲降低76.2%，響應(yīng)時(shí)間縮短1.1倍，傾角控制穩(wěn)定性提升7.16倍。在載荷實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人面對(duì)4公斤沖擊載荷時(shí)，能在0.45秒內(nèi)完成姿態(tài)修正。

實(shí)海測(cè)試中，“海龜”機(jī)器人展現(xiàn)了驚人的敏捷性。科研人員在海底設(shè)置寬度1米、高度0.8米的異形框架，要求機(jī)器人完成打結(jié)任務(wù)。這臺(tái)寬度0.93米的機(jī)器人從容應(yīng)對(duì)，僅用3分鐘即完成任務(wù)，突破了水下航行器在復(fù)雜地形全域機(jī)動(dòng)的技術(shù)瓶頸。國際期刊《自然·通訊》贊譽(yù)其“開辟了敏捷型水下機(jī)器人的新方向”。目前，團(tuán)隊(duì)正為“海龜”機(jī)器人增添更多功能，如搭載微距攝像頭捕捉珊瑚蟲呼吸動(dòng)作，配備機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)駐留觀測(cè)，使其成為“海底監(jiān)控站”。在深海采礦中，多臺(tái)“海龜”機(jī)器人可協(xié)同作業(yè)，通過大模型精準(zhǔn)定位礦源，兼顧開采效率與生態(tài)保護(hù)。

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