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白云飞:参与“海斗一号”万米海试的在读研究生

  •   编者按:2021年1月20日,“我国无人潜水器和载人潜水器取得进展”入选2020年中国十大科技进展榜单,其中的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器搭乘“探索一号”科考船海试,更是填补了我国万米作业型无人潜水器的空白。在这个重大项目中,我们看到了中国科学院大学(以下简称“国科大”)硕博连读研究生白云飞的身影。本期,一起走进他与万米海试的科研生活,看看他如何在摸索中积累,在积累中精进。

      “其实我每天安排一直比较固定,就这样日复一日,延续着我从本科培养的学习和科研习惯。上午阅读文献和书籍,下午在会议室和调试车间交流与实践,晚上进行问题总结与规划。”国科大2015级硕博连读研究生白云飞用“固定”来回望和形容自己的即将结束的学生生涯。

      2021年1月20日,“我国无人潜水器和载人潜水器取得进展”登上2020年中国十大科技进展榜单,而“海斗一号”的深潜“成绩单”更是榜上有名。

      作为中科院沈阳自动化所唯一一名参与“海斗一号”万米海试的国科大在读研究生,在白云飞的记忆里,2020年6月8日,平静往复的科研生活涌动起一丝波澜——他参与研发的由沈阳自动化研究所主持研制的我国首台作业型全海深自主遥控潜水器“海斗一号”载誉归来。“海斗一号”此次在马里亚纳海沟成功完成首次万米海试与试验性应用任务,填补了我国万米作业型无人潜水器的空白,标志着我国无人潜水器技术跨入可覆盖全海深探测与作业的新时代。

    白云飞在万米海试航次内,首次采集到挑战者深渊的泥样和水样

    厚积薄发,从零开始挑战深海“妙手”

      谈起与“大国重器”亲密交手的机遇和契机,白云飞感触更多的在于起初对自己能力欠缺的担忧。“当时导师把‘海斗一号’搭载的全海深七功能电动机械手研制的一些工作交给我时,我感觉自己的知识储备量和解决问题的能力在当时明显是不够的。”而在导师张奇峰研究员看来,“白云飞具有较强的实践能力,能将理论知识用到实践中去,又善于在实践中归纳和总结”。

      “没有头绪的摸索也是一种积淀和收获。”白云飞表示,在读本科时,他对未来的研究方向还没有清晰的概念,但是参加创新比赛的经历带给他最大的收获,是将课堂上的“理论”运用到实际中,在实践中检验不同方法的优劣。如今回想,创新比赛正是他对科技项目的技术组成和分工产生全面认知的开端,也为后来的科研实践提供了能力储备。

      研究生期间,在导师张艾群研究员和张奇峰研究员不断指导与启发下,白云飞通过各类项目的参研,逐渐明确了他的研究方向——深海灵巧机械手关键技术研究。“在不断持续的项目参与中,才能亲自体会到哪些研究或者哪些技术是迫切需要、但目前又缺乏研究的,从而可以形成一个有实际意义和价值的研究方向。”

    正在车间水池调试的“海斗一号”

      白云飞参与到“海斗一号”项目中,主要负责全海深电动机械手控制系统研制,与团队其他专业成员共同完成了机械手的研制。

      在“海斗一号”2020年5月的马里亚纳海沟万米海试期间,其操控七功能电动机械手多次成功在万米海底实现多类科考样品采集和标志物布放,在国际上首次利用电动机械手在挑战者深渊完成作业任务。遇到困难时,导师们会在第一时间给予鼓励和帮助。导师张奇峰为他指派了多名专业老师答疑解惑,提供指导帮助。湖试和海试期间,唐元贵老师会在身侧鼓励,“现在来看,这是一段多么珍贵的学习经历。”

      2021年即将毕业的白云飞,已经收获了第一作者身份科研论文5篇,拥有专利3项和共同作者出版书籍一部……盘点白云飞的成果和项目,有一个频频露面、扮演重要角色的词——“手”。白云飞最得意的一套成果是利用“深海机械手灵巧性评估及优化方法”进行深海灵巧机械手关键技术研究。而这些研究内容在国家重点研发计划项目“全海深机械手研制”和“全海深自主遥控潜水器(ARV)研制与海试”、中科院战略性先导科技专项“深渊ROV研制及作业技术研究”等项目中发挥着重要作用。

      如今,白云飞与水下机器人结缘已近5年,在摸索中积累,在积累中精进,“研究方向是否有实际意义,研究方法是否可行,实践和时间会给我们答案。”白云飞说。

    四年跌宕,最终交出“零故障”答卷

      自2016年7月“海斗一号”项目启动后,历经两年半的关键技术攻关与测试验证,完成了实验室总装联调、水池试验、湖上试验和4500米阶段性海上试验等过程。在新冠疫情下,科考人员克服重重困难,“海斗一号”在2020年4月23日搭乘“探索一号”科考船,如期开展海试。

      2020年5月26日,“海斗一号”在“挑战者深渊”10863米的北坡区着底,高清摄像观测到周边类似岩石状的海底凸起。“海斗一号”利用机械手完成了触发采水样、沉积物取样、岩石状物体的抓取及布放标志物。

    “海斗一号”海试中

      最让白云飞难忘的是“海斗一号”在2019年进行4500米南海海上试验。

      这次试验过程中,机械手出现了前期水池试验和湖上试验从未出现的问题。“机械手与‘海斗一号’潜水器在海水中会呈现暂时性的电气干扰,偶尔影响潜水器的正常工作,当时真的感受到沉甸甸的压力。所幸的是,回来后对机械手系统重新做了电气隔离梳理和改进,在2020年的万米海试期间,机械手全过程中实现了零故障和零维护,出色完成了所有作业任务。”

      如同手臂相对于人体,深海机械手是一台水下机器人上所有作业设备中灵活度最高、动作部件最多的设备,加之深海特殊的应用环境,深海机械手在结构、密封、控制系统软硬件设计等方面均具有较大挑战。

      “我有幸参与了‘海斗一号’全海深电动机械手和‘奋斗者’号全海深液压机械手两型机械手的相关设计工作,全海深电动机械手研制有两个难点,一个是耐高压、小型化和抗干扰控制系统的硬件设计,一个是11000米跨度下机械手控制响应一致性……”,说起自己的项目经历,白云飞滔滔不绝。

    车间中“海斗一号”与“奋斗者号”配备的机械手

      项目成功的背后,是冗杂难题的千调万试。由于处于深海的特殊使用环境,全海深机械手硬件设计与陆地机器人千差万别。例如,全海深电动机械手控制系统硬件是沉浸在绝缘油液中工作的,器件承受着万米级海水的压力,约相当于一头大象的重量作用在一个指甲盖上,所以机械手控制器硬件从每个小电阻、电容等元件,到电路设计、加工和调试,都需要经过模拟实验的筛选和验证。

      此外,海洋不同深度,海水的压力、温度和密度等参数也有差别,便会引起机械和电气设备的动态特性改变,绝不能马虎。因而团队为了使机械手在不同深度保持操控性均匀一致,在对机械手动态操纵性分析的基础上,设计了变参数控制算法和自主轨迹跟踪方法。这些也将成为白云飞博士学位论文的一部分。

    载誉归来,“只是打开了一扇门”

      “‘海斗一号’万米试验,说明咱们国家具备了进入全球深度海域进行初步探测能力,对今后深海环境调查和资源探测、开发等打下很好的基础。随着相关科学技术的日益发展和成熟,我认为灵活和智能是未来深海作业的一个方向。”白云飞说,自信源自项目成果,更蕴藏在国家未来探索深海的蓝图中。

      “这段科研经历,不仅加深了我对这个领域的认识,更让我对一些科学问题有了自己的思考。仔细想来还要归功于国科大科教融合的培养特色,以及沈阳自动化所浓厚的科研氛围。我在学习理论知识的同时,有机会接触到更多的前沿工程实践,得以更快地融入到国家重大项目的节奏和任务中。”

      走过荆棘丛生又硕果累累的2020年,白云飞感慨着多变的世界中不变的科研坚持,又不禁回望自己的硕博之路。“不要看别人做什么就做什么,一定要多独立思考,明白自己生活和学习的目的、意义是什么。”白云飞说。

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    责编 :张婧睿