; T& H3 G" m' E0 `7 ^. U
( p- b5 Z! m" X6 P* P/ D2 t向海而兴，背海则衰。( U! M d% x/ y$ t. Y
对于这颗星球上的蔚蓝之色，人类无比敬畏，也充满好奇。千百年来，总有那么一小撮勇敢者，想尽一切办法潜入海底深渊探险。# g1 w/ F% {: ?$ `
崔维成是其中一位。3 G) P e6 j1 [1 v$ A' _9 t
他曾任“蛟龙”号总体与集成项目负责人、第一副总设计师，曾于2012年搭乘“蛟龙”号在马里亚纳海沟下到7035米的海底，亲眼见证过荒芜的深渊。加入西湖大学后，他作为深海技术讲席教授，带领团队开拓第三代仿生智能机器鱼型潜水器。
# ~" `- [6 E+ _1 y6 k“若要在潜水器领域继续保持国际领先，必须迈出这一步。”他说。
# @: p. B% B5 F3 |' N1 P与崔维成并肩的，是工学院的另一位PI（特聘研究员、博导）范迪夏。这个刚刚从麻省理工学院回国的年轻科学家，聚焦实验流体力学和多栖仿生机器人的研究，比崔维成小27岁。) ]8 P- v2 i6 k6 J8 o5 @. T9 h6 O8 H
一老一少两个团队，在深海探险这件事上，有着同样高涨的兴趣。在他们的推动下——3 y% T$ v2 x) Q. f# ]7 C+ j
2021年6月，“深海仿生型潜水器研发与产业化应用”项目正式立项。
+ Q# }% f! p9 m! T1 `( {. |2022年11月，首台自主研发的2000米级仿生鱼型无人潜水器样机在西湖大学云谷校区诞生，取名“西谷I号”。
( a8 |/ [, B) n4 Y* }% D9 G7 t2023年4月18～27日，“西谷I号”搭载“珠海云”科考船，在中国南海顺利完成了2000米级海上试验。& P3 J+ N M% h) Y" g5 S' f& E
: J* g7 T5 Q1 ^7 s" ^' y% L
e# [8 f1 k: \5 V& W" y南海海试现场6 e) M6 J7 ]: T7 z; R4 K: e8 Z5 p
“珠海云”号科考船回收“西谷I号”潜水器
- Q7 i3 p; c# \6 j( n+ N5 c此次南海实验，是世界范围内采用仿生结构驱动的潜水器在2000米深度的首次成功尝试，也标志着“西谷I号”成为目前深度最大，且真正具有深海作业能力的新一代仿生型潜水器样机。* S" |* V1 s+ R5 M k' F# v1 }
“西谷I号”是如何做到的？崔维成与范迪夏团队，在广袤无垠的海洋“实验室”里，完成了一场怎样的实验？
6 d. K. w+ B; P% J: r师法自然，目标锁定蝠鲼鱼
! ^ W9 Q/ }) k: _. z大自然是最好的老师。
! Y8 ~8 W+ a) {. a3 T5 j1 a鱼，是海洋的“原住民”，遨游深海是它们最基础的本事。但只是长得像鱼还不够，在“西谷I号”设计之初，崔维成团队想做两件没人做过的事：( d7 O: T. S0 T( L" {
一是要做一条全仿生设计的鱼型潜水器，模仿真实鱼类，以胸鳍的摆动提供动力往前游。也就是说，潜水器的前进后退不再依靠传统的螺旋桨推进，而是完全由模仿胸鳍的侧翼煽动来实现。二是这条仿生鱼要具备实际应用能力，它不仅仅只是去深海里游一圈，还应该能够实现作业功能。也就是说，仿生鱼要能够悬停在海中，或坐底在海底，然后完成指定作业任务。0 H7 m; N$ f- h% F2 Q3 x
这些，是此前国内外潜水器都没能同时解决的难题。
. Z) N0 V5 X. y7 O/ _研发团队早早地将仿生对象确定为蝠鲼鱼。蝠鲼鱼又名魔鬼鱼，扁扁的身体像一个大毯子，胸鳍肥厚如翼，尾巴细长如鞭。) x7 i8 z! G) i0 K& c% B. j/ c
) F0 V, y' h3 `2 ~* Z% U% a8 ~
! B1 I/ }* D6 J0 M' Z5 E
身型扁平、行动灵活的蝠鲼鱼
5 R" I: O4 t5 C& L T/ n如此特别的身型若能“嫁接”到仿生鱼潜水器身上，想必能够解决不少重要问题——扁平的身体带来敏捷的行动能力，游动效率有了保证；同时，这里还是一个理想的设备平台，扁平加上低重心的特点，让仿生鱼的“底盘”更稳，即便搭载很多设备也相对不容易倾覆。2 K& t o5 {1 C' h7 V9 I
4 O( p% G5 D; R* E, [/ T就是这样，对自然最好的探险，便是成为自然本身。! P X; w* u4 } j
仿生鱼潜水器的另一个优势，是把人类探索深海的“打扰”降到最低。像鱼一样，体型小巧，以“鳍”前行，仿生鱼潜水器产生的噪音和对水的扰动，远小于此前螺旋桨驱动的潜水器，可以胜任对生态环境保护要求较高的生态观测、取样、检测等工作。
5 r8 i* `% C* U6 q% W0 B6 ~+ M( ~, L问题来了：如何实现第一个研制目标，让潜水器以纯仿生的方式驱动，靠“鱼鳍”游起来？/ I8 I$ R/ u1 {% W: l- |" y+ [+ X
这是研制过程中，研究团队遇到的最大难题。
8 P' G' C) Y2 K: g+ ]从零开始，为潜水器配“鳍”) v5 a4 ~/ V T: K5 Y1 v; x
仿生鱼的侧翼，是整个潜水器模仿鱼鳍“游”起来的关键。7 u2 F. t0 P H
以“蛟龙号”和“奋斗者号”为代表，我国的第二代潜水器采用的是传统的螺旋桨驱动推进，其技术应用已经非常成熟，甚至达到国际领先水平。& V1 d2 ]3 T6 W3 e7 \- B
即便如此，研究团队这一次想要的仿生设计，依然没有多少先例可循——没有多少参考文献和技术解决方案，没有可以学习的成品化装备，连零部件的供货商都很难找。“项目之初我们面临非常多的挑战，对于全新的仿生驱动设计也难免心存忐忑。”崔维成实验室助理研究员、“西谷I号”总设计师李伟琨说。
3 v, B: Z6 F/ W# x但是，基础科研本身就是不断在“无人区”探索。崔维成曾全程参与过“蛟龙号”项目研制，不止一次经历过这种“第一次”的挑战，具备丰富的深海装备研制经验；范迪夏的工程经验在年轻PI中也很突出。在两位导师的帮助下，研制团队从零开始自主设计。! ~& ?) E/ j2 W$ m( R
从最简单的小鱼到蝠鲼鱼，团队围绕真实鱼类的鱼鳍，原创了“刚柔并济”的多层复合结构。) X7 O1 x0 ~% M" L5 [
6 F+ Q1 m, [) J# R
9 q1 G0 r" N) H+ j
“西谷I号”俯视效果图
- P' z( H4 e' R上图可以很清晰地看到“西谷I号”的一对侧翼。面积较小的黑色部分是刚性板，能提供足够的耐压能力，保证仿生鱼侧翼在深海里的正常运动；而面积较大的黄色部分则是非常重要的柔性板，是仿生鱼产生动力的结构基础。侧翼摆动过程中，通过在水中形成的漩涡产生向前推进的动力，实现潜水器的自主前进。
: f2 h; O: _$ j/ z+ M. D
8 f. O5 [+ Y0 V4 A( v0 U
; `- J7 {' [# e; z" L; a柔性材料在水中摆动后形成的涡流示意图" N# A0 T) e, U$ e- g# F
橙色与黄色两部分“拼”在一起，正好给仿生鱼潜水器安上了一对“鳍”。
7 T; m; B4 T& w/ f别看这对“鳍”看起来普普通通，但其中注入的研发精力和科技含量却一点都不简单。% [4 b. K7 W2 b( c/ I2 [
材料的选择是最关键的。柔性板部分，团队成员在众多材料中选择了高密度聚乙烯（HDPE），这是一种柔软而坚韧、耐腐蚀性好且能耐受大范围温差的塑料材料；至于刚性板，铝合金略胜一筹，让潜水器有更高强度且更轻量化，同时还能抵抗海水的腐蚀。# @# S, t/ q. |
这两种不同的材料要怎么组合，才能赋予它“鳍”的功能呢？厚度、长度、形状、刚柔两种材料的面积占比……任何一个参数的变化，都可能对侧翼的推力产生影响，比如刚性比例过低或过高时推力都会下降。团队成员测试了多种参数组合产生的推力，试图找到理论上的最佳组合；同时考虑到深海环境中的可实现性和可操作性，最终选出了目前的组合方式。
/ ~$ t. {- W1 o4 P4 y3 o: H, }在这个框架下，研制团队历时两年，进行了一系列流体结构相互作用、集成强化学习和深度学习等研究，并自主设计了包括智能实时控制、低延迟光通讯、电源管理、动态故障检测等配套软件系统，为潜水器在复杂水下环境中的可靠运行提供了保障。" G; q! |0 g$ d9 p
无数次计算和调试，无数次试验和修改，纯仿生设计的仿生鱼潜水器“西谷I号”终于在他们的实验室里诞生了。/ O* p9 ^" k3 r% |
. W6 [9 C! A2 ^/ i* s3 N6 F6 d
( V' Y9 w' R# [7 M/ E在进行水池试验的“西谷I号”
$ P1 x, t6 _7 |7 l- E. K5 b. Y即插即用，极具想象力的“鱼肚”+ k! K5 o/ @; g! ]
侧翼的设计，解决了团队想完成的第一项创新——仿生。至于第二项——在水下具备多种形式的深海作业能力，同样是前所未有的挑战。& q* B. q" H) \/ `% k I
“在海底作业的前提是在海底停下来，目前‘西谷I号’已经具备了这个基础能力，之后按照实际需要在‘鱼肚子’上直接搭载实验或作业设备即可。”李伟琨介绍，“假设要开展海底采样，可以接入机械臂、采样篮，我们为此预留好了电源线和通讯线，即插即用。”% | C# k2 N% L4 ?1 P
“西谷I号”的“肚子”就像一个强大的拓展坞，可以接入各种各样的实验设备，扩展它作为一条“鱼”的能力。畅想未来，“西谷I号”还有更多的潜力有待挖掘。
/ _" z& v9 G) `. A. m2 Q* z自然资源方面，它可以辅助完成海下勘探等工作，也可以配备声呐成像测扫设备，以更灵活、成本更低的方式描绘海底的地形地貌；生态保护方面，它可以完成珊瑚礁观测、生态修复工作的前期勘探；工程方面，它可以完成水下管道巡检等检修维护工作……
0 F) _3 I( z1 j) f8 z回到“西谷I号”本身，那两件没人做过的事，研究团队现在做到了，接下来想要做得更好。8 ~9 ^ W5 l9 C. x, g' A2 I
第一件事，怎么才能像鱼一样游得更自然、更自在？怎么才能游向更深的深海？第二件事，有没有可能从一条鱼变成一群鱼，有没有可能从浅海到深海、再到更深的海沟，实现多层次、立体化的海下作业。" A+ R( G p" g2 f' R1 C; }
“大鱼”入海，2000米海试成功) l" @) e% u" _/ i: V
8 l G+ e8 v0 x. P7 I! c& b/ U9 n2023年4月18日，南海天气晴好。
8 W) s+ L% U2 A# O: |/ h! X崔维成和他的团队成员搭乘“珠海云”科考船，开启了“西谷I号”的首次2000米级海上试验。
: [; ^" H* ^9 }控制室里，所有人都屏息凝神地盯着控制室屏幕，等待仿生鱼一点一点下潜。9 G7 g/ o9 d$ {3 d3 W* V! j; w
第一次下潜，失败。团队经验不足，加上海上天气突变，试验结束后，几乎所有人都吐了。3 k9 G& R6 n. H
第二次、第三次、第四次，都算不上完美。
, D0 ~& v; S& ]' w, R" p. c* y直到第五次下潜，“西谷I号”终于在深海2036米成功坐底，并自动采集、回传数据。
$ L' H" ]" Z; B. b) _
7 o! _* Y0 F- D
2 e9 ?) `* I% Z% u C南海海试现场，西谷I号第5潜次布放前进行安全检查
3 d z% S" M" [, u/ H" e之后，“西谷I号”又一次顺利下潜到2022米，并完成了与中继器分离、在海底的仿生驱动巡航、成功回收等任务。
, m0 F& H" G3 G! D
6 J8 o# }5 j) D# v5 K$ V% i! o! p# `5 `: ^9 O
跟随潜水器控制界面录屏，感受一下深度突破2000米的瞬间) S* } T! A$ Y3 `# s! V- F" a
/ C( z& G" z; G
“西谷I号”采用了自主化设计，具有完整的知识产权，其制造、维护成本远低于当前常见的深海潜水器。两次完整作业深度超过2000米，标志着西湖大学仿生鱼研制团队具备了研发实际产品的能力，为未来深入研究和产品开发奠定基础。
. `7 z' C" ^" J# V* ^6 j值得一提的是，崔维成和范迪夏都没有担任“西谷I号”的总设计师，仅作为“指导员”参与项目，整个研制团队是一群人均95后的“新人”。" y8 L6 F( E2 h9 F) H0 r! y
团队的6位脑力担当是西湖大学在读博士研究生，他们中的大部分人没有出海经验，很多东西都是加入团队后才开始学习的。“西谷I号”副总设计师，崔维成实验室博士生刘启蒙说，学院和学校是他们坚实的后盾，给了他们创新和试错的勇气。
" l2 }2 n8 I# W9 E: K
' G7 y+ j* n2 m/ O0 y T9 t: l' S1 {8 `, E5 h" x
2023年4月，南海海试成员合影* F: ?+ R8 m/ @# `
左起：王章源、李伟琨、孙博爱、崔维成、刘启蒙、陈林柯、胡志洋) S1 }7 g- n/ H1 k1 X R+ e
从2021年6月获广东省海洋六大产业立项，到2023年4月海试，“西谷I号”经历了完整的方案规划、详细设计、设备和系统的压力筒验收、总装联调、水池试验、千岛湖试验、专项检测等工程实践环节。' C/ v1 _! s! b; a% w
“西谷I号”的背后，是一群充满好奇心的年轻人，在海洋中自由探索，于未知中寻找答案。, { k4 _ @' h; y$ ]) H4 O
在他们眼里，再遥远的深海，也总有一天能顺利抵达。$ E# U' r& d' _& @
文末点个在看吧~
" }( H+ f- l) S4 y学术指导/崔维成实验室、范迪夏实验室
' \; N! E0 R* @& r) O( Y撰稿/杨艺涵6 t& @. D; u: S( l+ u
校对/张 弛
H- Z/ Y+ o7 w
, ]% b u$ E3 M; |( u1 V* O# x0 p" t4 P6 B' A
; {# G* l' S/ V" ^8 b+ C信息来源：西湖大学。 `4 k7 e% S3 t3 h/ ^) R
|
5 K# S/ v' T3 _0 z. Y
p9 c, x$ q( `7 w2 c
7 s9 u1 j2 c7 j. F* O
) c5 i9 C& O3 K+ _
: Q/ M! g& j4 c5 k7 [! Q; }% X
