■走在教育強國大路上 支撐高水平科技自立自強    

    ■團隊研制出的深海可控式可視化采樣器，突破了我國現有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統的功能局限性，將精確探測和精細采樣有機集成，填補了我國深海精細采樣的技術空白，為我國實施“攻深探盲”提供了關鍵技術與裝備

    ■科研項目要面向國家重大需求，攻克共性基礎理論和核心關鍵技術難題，這樣才能做出大成果    

不久前，清華大學自動化系宋士吉教授團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2539米水深處，成功抓取了塊狀玄武巖地質樣品，并獲得了近底高清視頻資料和環境數據。而此前，該設備已搭載“大洋號”，先后完成2500米、4500米深海底試驗。

2015年，清華大學自動化系宋士吉團隊提出的“深海可控式可視化采樣器關鍵技術研究與樣機研制”獲批為國家自然科學基金委重大科學儀器研制項目。8年多來，團隊圍繞“精準”和“智能”技術開展工作，研制出的深海可控式可視化采樣器，突破了我國現有深海電視抓斗和深海攝像拖曳系統的功能局限性，將精確探測和精細采樣有機集成，具備交互式作業、精確運動控制、熱液異常智能搜索等功能，填補了我國深海精細采樣的技術空白，性能達到國際先進水平，為我國實施“攻深探盲”提供了關鍵技術與裝備。

    創新突破，在智能化和一體化上下功夫

深海蘊藏著豐富的礦產和資源，隨著各國紛紛向深海挺進，深海裝備的自主研發能力和水平成為各國競爭的焦點。

長期以來，深海資源探測開發設備的研制面臨著關鍵技術難題多、挑戰性大等困難，集中體現了一個國家科技實力和高端制造業的水平。

而走上深海可控式可視化采樣器的研制之路，對宋士吉來說，是偶然更是必然。

2012年暑期，宋士吉作為中國大洋事務管理局信息系統領域的責任專家，隨同“大洋一號”科考船進行科學調查。在深海“熱液區”探測過程中，宋士吉發現，每次都是先把“拖體”下放到海底進行大范圍探測，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備無法完成采樣，需要依賴船舶動力定位系統和人工操作經驗，反復調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，經常需要持續尋找數小時甚至更久；而在抓斗進行抓挖的過程中，由于海底地形復雜，容易抓空或者翻倒，多次嘗試才能采集到滿意的地質樣品，嚴重制約了科考作業的效率和樣品質量。”宋士吉說。

如何才能使探測和采樣兩種作業一次性完成？如何實現智能搜索和智能采樣，提高深海作業效率并減少人工操作帶來的一些偏差？

宋士吉團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，重點突出作業過程的一體化和智能化，即能夠根據探測到的海底熱液異常信息自動調整搜索路徑，能夠快速定位硫化物礦噴口區或熱液異常區，同步進行精準采樣作業。”宋士吉說，而且在大范圍探測和精準采樣過程中，實現了海底作業的可視化，母船甲板監控端能夠實時監測到海底地形、環境信息及采樣器作業過程的實時監測數據。與國外先進的深海采樣器相比，該設備也具有明顯優勢：一是海底作業過程在線智能搜索目標；二是采樣過程的智能操控作業；三是采樣器還具備一機多能的特點。

2019年8月，該設備在南海海域進行了第一次海試，下潛到2500米時出現故障，團隊及時更換了采樣器水下驅動艙部件，繼續進行水下試驗工作。2020年1月，設備搭載“大洋號”科考船在西太平洋海域進行了第二次海試，在2500米和4500米兩個深度的海底分別成功抓取了海底礦產樣品。

    學科交叉，助力深海調查設備原始創新

重大原始創新成果往往萌發于深厚的基礎研究，產生于學科交叉領域。海洋裝備研發是典型的多學科交叉研究領域。在深海可控式可視化采樣器的研制中，人工智能、深海探測、機械制造等眾多學科領域凝聚合力，最終促進了采樣器的成功研發。

宋士吉解釋，深海探測面臨著很多難題，一是海底靜壓大，6000米深水區的壓力為60兆帕，相當于在每平方厘米面積上施加了600公斤重的壓力。重壓之下，儀器設備的運動、探測、抓取等精細動作更難上加難，因而對儀器設備材料的抗壓性能要求極高。二是深海環境對海底設備的各種電子接插件的水密性要求高。三是精準識別熱液異常并圈定硫化物礦產資源區需要精準獲取、識別并評價地震、電磁、巖石物理模型等地質資源數據，對設備的智能化要求高。

“深海環境惡劣、環境干擾大，樣本數據少、信號微弱……在采樣器智能化的研發道路上，每一步都是前人未走過的路。”團隊核心技術成員、清華大學自動化系副教授黃高說。

從2009年開始，黃高就加入了團隊，從項目論證、申請到研發、海試，全程參與了采樣器的研制工作。

如何克服海底環境的不利影響，實現更加精準的智能識別、跟蹤、精準采樣？

“我們重點從兩個方面攻關，一是智能感知，通過擴增數據樣本、模型預訓練等方式，不斷優化智能系統，目前已實現深海常見物體80%的檢測準確率，實現了質的提升。二是智能決策，逐步提升模擬環境仿真分析的準確性，使采樣器能夠準確判斷是否為海底硫化物熱液噴口或特征異常區，并根據羽狀流物理異常或化學異常信息進行實時跟蹤與定位。”黃高說。

深海可控式可視化采樣器的成功研制，也離不開上海交大水下工程研究所在總體結構、電氣系統、液壓系統及系統集成研究方面的貢獻，以及廈門大學近海海洋環境國家重點實驗室在深海調查領域的豐富經驗……

“特別是在重大裝備關鍵技術研發方面，學科交叉融合是重要的突破口。”宋士吉說，尤其是像我們的深海可控式可視化采樣器的研制，屬于國家重大科學儀器研制項目，有重大工程驅動和明確的國家需求和牽引，在研發過程中，不僅解決了實際應用中的問題，也從真實需求中提煉科學問題，促進了學科的發展。

    “要做就要比國外做得好”

深海蘊藏著地球上未被認知和開發的寶藏。進入21世紀，深海技術已成為世界各國的重點發展技術領域。

“深海競爭實質上是綜合國力和高技術能力的競爭，深海高新技術集中體現了一個國家的綜合技術實力。”宋士吉說，以深海硫化物礦區探測為例，目前全球已探測出250多個深海硫化物礦區，據科學家估計，仍有一半未被人類探測到。深海可控式可視化采樣器等深部資源探測核心裝備的自主研制成功，為我國實施“攻深探盲”提供了關鍵技術與裝備，為我國資源能源安全保障體系提供了有力的技術支持。

“實踐出真知，科研項目要面向國家重大需求，攻克共性基礎理論和核心關鍵技術難題，這樣才能做出大成果。”團隊資深專家、中國工程院院士、清華大學自動化系教授吳澄說，“我們承擔的科研課題，一定是選擇具有重大意義的、有挑戰性的、國家發展亟待解決的技術難題，而且要做就要比國外做得好。”

談及深海可控式可視化采樣器的成功研發，吳澄認為：“一是研究方向的探索，要契合國家需求并具有挑戰性。二是理論聯系實際，要緊扣工程實際需求，提煉并解決科學和技術難題。再就是多學科、多團隊的精誠合作。”

近期，團隊在采樣器設計上又進行了升級，增加了機械手采樣工具，在抓斗“精確抓取”地質樣品的基礎上，實現了“精確撿取”的功能。在系統設計方面采用液壓系統驅動抓斗和機械手，如遇被卡住的情況，將實現上下模塊自動分離，保留設備核心模塊并及時把采樣器回收至甲板。

“深海技術未來一定是走向智能化和無人化的。”宋士吉說，長航時、超高速、智能化、無人潛水器技術和深海高精度、低能耗、小型化的聲、光、電、磁等新原理傳感器等，將是未來的發展方向和競爭焦點。

《中國教育報》2024年08月14日第1版