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▲ 圖：Aquanaut機(jī)器人在美國宇航局（NASA）的中性實(shí)驗(yàn)室中接受水下漂浮測試。

在距我不遠(yuǎn)處，兩名宇航員正在練習(xí)太空行走，我耳中聽到的只有自己的呼吸聲，以及耳機(jī)當(dāng)中偶爾傳來的控制中心播報(bào)，剩下的，就是一片寂靜以及失重的世界。但這里并不是黑暗的太空，而是休斯頓宇航中心內(nèi)一個巨大的深水游泳池。NASA利用這個環(huán)境訓(xùn)練宇航員在零重力環(huán)境下的適應(yīng)能力。我得承認(rèn)，觀看宇航員的訓(xùn)練課程確實(shí)很有吸引力；但我現(xiàn)在有自己的任務(wù)——我緊盯著Aquanaut，同在泳池中接受測試的一臺亮橙色機(jī)器人。

Aquanaut像一艘微型潛艇般順暢地滑過水面。乍看之下，它似乎與其它無人駕駛型水下交通工具（unmanned underwater vehicles，簡稱UUV）沒什么不同。這類設(shè)備的配置用于收集數(shù)據(jù)的傳感器以及用于移動的推進(jìn)器。但Aquanaut要更先進(jìn)一些，它能夠像電影《變形金剛》中的角色那樣，從船體頂部伸出兩條向兩側(cè)展開的巨大機(jī)械臂，一個裝滿傳感器的楔形頭部不斷旋轉(zhuǎn)，指引著機(jī)械臂在幾秒鐘之內(nèi)完成變形。現(xiàn)在，原本線條圓潤的潛艇變成了臺半人形機(jī)器，并準(zhǔn)備開始自己的工作。 

Aquanaut代表著一種全新設(shè)計(jì)，其創(chuàng)造者是一家名為Houston Mechatronics（簡稱HMI）的初創(chuàng)企業(yè)，該公司希望借此徹底顛覆海底機(jī)器人技術(shù)。傳統(tǒng)的UUV一般分為兩類：用于遠(yuǎn)程測量任務(wù)的魚雷式自由潛水器，以及必須配合支援船只并可進(jìn)行水下操縱的方形遠(yuǎn)程操作機(jī)器。HMI公司希望將這兩種模式結(jié)合起來，打造出一臺變形機(jī)器人。這是個大膽的想法，以往從沒人敢于嘗試。

HMI公司的工程師們經(jīng)常開玩笑說，打造變形金剛就是他們?yōu)橹Φ慕K身目標(biāo)之一，而且他們也堅(jiān)信自己有能力做到。Aquanaut主要用于維修海底石油與天然氣裝置。擁有并運(yùn)營這類基礎(chǔ)設(shè)施的企業(yè)以往需要投入大量資金對設(shè)施進(jìn)行檢查與維護(hù)。然而，整個過程一直依賴于幾十年來基本沒什么變化的機(jī)器人技術(shù)，畢竟這種極端環(huán)境也只有機(jī)器人能夠勝任。不過對于HMI而言，這并不是問題：在全部75名員工當(dāng)中，有超過24名曾經(jīng)為NASA效力。因此應(yīng)對極端環(huán)境正是他們的拿手好戲。

HMI公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Nic Radford在休斯頓的NASA約翰遜航天中心工作了14年，且致力于推動先進(jìn)機(jī)器人項(xiàng)目。他表示，“可以肯定的是，進(jìn)入太空當(dāng)然要比進(jìn)入水下更加困難。但太空環(huán)境相對單純，而水下環(huán)境則高度動態(tài)。雖然還無法肯定，但我初步認(rèn)為機(jī)器人在水下工作時，其難度可能達(dá)到太空環(huán)境中的10倍甚至50倍。”

Aquanaut是一款獨(dú)一無二的無人水下航行器，其能夠從專為長距離巡航設(shè)計(jì)的靈活潛艇，快速變形為能夠執(zhí)行復(fù)雜操作任務(wù)的半人形機(jī)器人。以下是具體變形過程： 

1.Aquanaut以潛艇模式前往海底工作場所。

2.在到達(dá)現(xiàn)場之后，機(jī)器人的船體頂部會上升，露出兩個巨大的機(jī)械臂以及楔形的頭部裝置。

3.安裝有立體攝像頭、3D傳感器以及聲納系統(tǒng)的頭部會旋轉(zhuǎn)到位。

4.機(jī)器人隨后展開其強(qiáng)有力的機(jī)械臂，其上配備有力傳感器以及爪式夾持器。

自從2014年創(chuàng)立HMI公司以來，Radford與另外兩位聯(lián)合創(chuàng)始人——Matt Ondler和Reg Berka——已經(jīng)籌集到超過2300萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資。如今，經(jīng)過無數(shù)次的設(shè)計(jì)迭代，Aquanaut終于拼裝了起來。但在進(jìn)入海洋之前，機(jī)器人首先得在更為可控的實(shí)驗(yàn)室條件下證明自己，也就是在NASA的水池里施展一番。

NASA的中性浮力實(shí)驗(yàn)室（NBL）容納著2350萬升水，最大深度為12米，足以容納大部分完整的國際空間站組件模型，且可提供充足的空間。宇航員可以在NBL當(dāng)中體驗(yàn)近失重狀態(tài)下的太空行走。就在今年3月下旬的這個清晨，HMI如約來到設(shè)施北側(cè)，開始對Aquanaut進(jìn)行測試。

在水深十米處，我背著兩個高碳酸鹽罐，盡可能以穩(wěn)定的姿態(tài)跟蹤機(jī)器人在水中的行動。Aquanaut剛剛來到這里八天，但整個測試進(jìn)展順利。唯一的小問題就是有時候機(jī)械臂的遠(yuǎn)程操作發(fā)生故障，不過HMI團(tuán)隊(duì)對此并不擔(dān)心；他們知道還有很多工作要做，而機(jī)器人明天一早還會在這里待著他們。

Radford告訴我，他很喜歡運(yùn)營初創(chuàng)企業(yè)那種刺激的感覺，這種節(jié)奏跟NASA這類大型政府機(jī)構(gòu)按部就班的運(yùn)營思路形成了鮮明的對比。在加入HMI公司之前，他曾在NASA Robonaut項(xiàng)目當(dāng)中擔(dān)任過五年的總工程師職務(wù)，負(fù)責(zé)開發(fā)一臺用于國際空間站的人形機(jī)器人；在此之后，他又領(lǐng)導(dǎo)了Valkyrie項(xiàng)目的開發(fā)，這是一套更加復(fù)雜的人形機(jī)器平臺。在HMI的個人辦公室里，他擺上了Aquanaut原型設(shè)計(jì)的小型3D打印模型，墻上則畫著Valkyrie與漫威鋼鐵俠的涂鴉形象。

他表示，“我們在NASA培養(yǎng)起的技能類型，主要是將機(jī)器人置于偏遠(yuǎn)的位置，讓它們在嚴(yán)峻的環(huán)境下執(zhí)行實(shí)用性工作。而由此帶來的成果，正好適合海洋當(dāng)中的實(shí)際需求。”

我們聽說以及看到過的海上石油與天然氣作業(yè)任務(wù)，大部分是通過海上平臺完成的。人們從這里執(zhí)行水下鉆井作業(yè)。雖然平臺是工作當(dāng)中最顯眼的部分，但海底也部署有大量復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施。

海底的井口處設(shè)有一個金屬蓋，負(fù)責(zé)將碳?xì)浠衔飳?dǎo)向海面。這套復(fù)雜的結(jié)構(gòu)包含管道、閥門、歧管以及眾多儀表，很多從業(yè)者將其戲稱為“圣誕樹”。有些井體甚至有四層樓那么高。

▲ 圖為Aquatic機(jī)器人。在潛艇模式下，Aquanut能夠調(diào)查并檢測部署在海底的石油與天然氣設(shè)備。而在人形模式下，機(jī)器人則能夠利用其機(jī)械臂抓住專用工具并操作控制碳?xì)浠衔锪飨蚝Ｃ娴拈y門。

為了對井口進(jìn)行日常維護(hù)，或者改變開采物的流出，我們必須轉(zhuǎn)動“樹”上的某些閥門。但由于井體往往深藏海中——有時候深度達(dá)300米以上——潛水員通常無法前往，因此唯一的辦法就是使用機(jī)器人載具。

幾十年以來，在深海井上工作的常規(guī)程序就是向井場發(fā)送遠(yuǎn)程操作的水下航行器（ROV）。然而，我們不可能單獨(dú)發(fā)送ROV，同時還得配合一條滿載經(jīng)驗(yàn)豐富工作人員的大型支援船，將其作為ROV的行動基地。以往的ROV幾乎或者完全沒有自主能力，其只能接受海面上的指揮與控制。這無疑會極大增加設(shè)備的運(yùn)行成本，典型的工作流程每天會帶來數(shù)萬甚至數(shù)十萬美元開銷。

HMI公司希望消除傳統(tǒng)方法中的種種弊端。Aquanaut機(jī)器人不需要系繩或者支援船，其能夠以潛艇模式前往深海目的地，在這里變化為人形，而后使用強(qiáng)大的機(jī)械臂完成任務(wù)。每個機(jī)械臂都配有扭矩傳感器，并憑借著八個運(yùn)動軸實(shí)現(xiàn)類似于人類手臂的運(yùn)動能力。Aquanaut上的機(jī)械臂能夠轉(zhuǎn)動海底閥門的夾具，甚至能夠使用內(nèi)部負(fù)載艙中攜帶的專用維護(hù)工具。

Aquanaut能夠自動執(zhí)行任務(wù)，人工操作員只負(fù)責(zé)監(jiān)督但不必直接控制其具體行動。一旦工作完成，機(jī)器人還能自動返回基地。Radfrod表示，這種方式使得Aquanaut擁有更快的部署速度，運(yùn)營成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有ROV。他估計(jì)，其成本可能僅相當(dāng)于傳統(tǒng)解決方案價(jià)格的一半。

而這臺機(jī)器人推出的時間也可謂恰到好處。根據(jù)海底技術(shù)先驅(qū)Chuck Richards（目前擔(dān)任華盛頓特區(qū)海洋技術(shù)協(xié)會ROV委員會主席）表示，過去幾年石油價(jià)格一路走低，利潤的下滑導(dǎo)致石油公司之間的競爭態(tài)勢進(jìn)一步加劇。這意味著誰掌握了新技術(shù)，誰才能在激烈的對抗中生存下去。Richards在休斯頓創(chuàng)辦的Richards & Associates公司就在為數(shù)十家海底維護(hù)企業(yè)提供設(shè)備，其中也包括HMI。他解釋稱，盡管整個行業(yè)對于像Aquanaut這樣的創(chuàng)新成果往往保持謹(jǐn)慎態(tài)度，但看到這種新型機(jī)器人的強(qiáng)大能力仍然令人感到相當(dāng)振奮。

Richards解釋稱，上世紀(jì)七十年代商用ROV技術(shù)的發(fā)展成熟使其迅速被行業(yè)所接受。而且剛起步時，相關(guān)產(chǎn)品同樣比較粗糙。他回憶道，“不過隨著ROV行業(yè)的進(jìn)步，石油企業(yè)對其表現(xiàn)出了極大的耐心與肯定。在我看來，他們沒有理由拒絕自動化程度更高的新型載具。”

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▲ 圖為智能潛艇: 來自HMI公司的工程師們正在檢查Aquanaut的頭部（機(jī)器人的各主要傳感器都集中在此處），為機(jī)器人的水下測試進(jìn)行準(zhǔn)備（上圖）。傳統(tǒng)的無人水下航行器需要由人工操作員進(jìn)行實(shí)時操縱，但Aquanaut則憑借著傳感器與計(jì)算系統(tǒng)表現(xiàn)出更強(qiáng)大的自主能力，可以在操作員的監(jiān)督之下執(zhí)行任務(wù)，而無需直接加以控制（下圖）。

相對于傳統(tǒng)ROV，Aquanaut的主要優(yōu)勢在于其操作不受限制。但是，HMI必須克服幾個關(guān)鍵問題才能真正實(shí)現(xiàn)這一功能。首先，如何在沒有大型支援船的前提下將機(jī)器人送至現(xiàn)場位置。雖然Aquanaut能夠通過相對較小的船只完成部署，甚至由直升機(jī)運(yùn)送至目標(biāo)地點(diǎn)，但該機(jī)器人也能夠在潛艇模式下行駛200多公里。在到達(dá)之后，機(jī)器人就會變形為ROV模式。其船體內(nèi)部藏有額外的微調(diào)推進(jìn)器，能夠以靈活的方式調(diào)整自身姿態(tài)。 

變形本身又是另一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，同時也在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部引發(fā)了激烈爭論。Aquanaut首席工程師Sandeep Yayathi（曾任NASA月球探測器項(xiàng)目動力負(fù)責(zé)人）表示，“我們曾經(jīng)爆發(fā)熱烈的沖突，希望證明并不一定非得采用變形這種設(shè)計(jì)。”然而，該小組最終認(rèn)定變形的優(yōu)勢將超過由此帶來的復(fù)雜性，而這一意見也最終讓水下“變形金剛”成為現(xiàn)實(shí)。

為了讓Aquanaut能夠大幅度改變自身形態(tài)，該機(jī)器人配備有四個定制型線性執(zhí)行器，能夠?qū)⑸眢w的上半部與下半部彼此分離開來。此外，機(jī)器人還在防水外殼上安裝有額外的定制電機(jī)，用于驅(qū)動機(jī)械臂及頭部。在電源方面，Aquanaut使用類似于電動汽車中的鋰離子電池。目前，其完全變形只需要30秒時間。

但這一切挑戰(zhàn)，也許都不像設(shè)計(jì)Aquanaut的控制系統(tǒng)那么困難。傳統(tǒng)的ROV具有多臺實(shí)時攝像機(jī)進(jìn)行信息進(jìn)行饋送，而人類操作員則實(shí)時利用操縱桿控制載具行動。如今沒有系繩，與Aquanaut進(jìn)行通信的唯一方法就是通過聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器。這種成熟的技術(shù)能夠覆蓋水下幾十公里的范圍，但卻具有高延遲以及極低的傳輸帶寬的問題——每秒只能傳輸幾KB數(shù)據(jù)。HMI公司計(jì)劃依靠小型無人水面艦艇作為機(jī)器人與通信衛(wèi)星之間的中繼器，如此一來Aquanaut將能夠在世界任何位置接受控制。然而，過多的傳輸限制使得人類無法直接對其進(jìn)行操作，因此Aquanaut需要盡可能多地提升自主行動能力。

Yayathi解釋道，“自主能力非常重要，我們需要有信心將眾多任務(wù)交給機(jī)器人自行解決。”

HMI公司計(jì)劃保持對Aquanaut的高級監(jiān)督控制，同時將大部分低級決策委托給機(jī)器人上強(qiáng)大的機(jī)載計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)將負(fù)責(zé)運(yùn)行機(jī)器人操作系統(tǒng)——簡稱ROS，這是一種適用于研究型及商業(yè)型機(jī)器人的流行軟件平臺。利用頭部傳感器套件，包括立體攝像頭、結(jié)構(gòu)光傳感器以及聲納系統(tǒng)，機(jī)器人將能夠?yàn)橹苓叚h(huán)境構(gòu)建起詳盡的3D渲染結(jié)果。然而，其并不會將完整的3D地圖發(fā)送給操作員，而是僅傳回極小且經(jīng)過高度壓縮的特定部分；在此之后，操作員能夠?qū)⑵渑cAquanaut正在觀看的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模型相匹配。

操作員隨后發(fā)送一些比較簡單的命令，例如“將處于某些坐標(biāo)處的閥門順時針旋轉(zhuǎn)90度。”機(jī)器人將自動決定如何抓住閥門以及施加怎樣的力道，并在任務(wù)完成后發(fā)回確認(rèn)提示?？傮w來講，操作員仍然負(fù)責(zé)指揮機(jī)器人的行動，但不再依靠直接的手動操縱，也不再需要極度占用帶寬的實(shí)時視頻輸入。

HMI公司的長期目標(biāo)是將Aquanaut轉(zhuǎn)化為一種即服務(wù)方案。利用部署在北?；蛘呒永Ｄ醽喓０兜鹊氐男⌒蜋C(jī)器人隊(duì)列，石油與天然氣公司只需要提供需要完成的任務(wù)細(xì)節(jié)，HMI方面就會安排最近的機(jī)器人前往處理。Radford表示，操作傳統(tǒng)的單一ROV大約需要7個人，但“我們認(rèn)為我們可以把問題掉轉(zhuǎn)過來。我們相信一位操作員能夠控制7臺Aquanaut。”

休斯頓大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授、國際海底工程研究所所長Matthew A. Franchek表示，由于采用低帶寬連接且操作員只是間歇性介入操作循環(huán)，Aquanaut可能存在更大的出錯風(fēng)險(xiǎn)。他表示，“其中存在不確定性。我擔(dān)心操作當(dāng)中會出現(xiàn)故障，并引發(fā)財(cái)務(wù)與環(huán)境方面的不良后果。雖然這項(xiàng)技術(shù)令人興奮，但其還需要證明自己確實(shí)能夠發(fā)揮預(yù)期作用。”

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▲ 圖：為了在受控環(huán)境下測試Aquanaut，HMI公司將這臺機(jī)器人帶到了世界上最大的室內(nèi)游泳池之一——NASA的中立浮力實(shí)驗(yàn)室。宇航員在這里接受零策略環(huán)境下的模擬訓(xùn)練，其規(guī)模足以容納國際空間站各主要模塊的全尺寸模型（見圖中背景）。

在對Aquanaut進(jìn)行了三天的測試之后，開發(fā)團(tuán)隊(duì)在HMI辦公室后面的停車場舉行了一場慶祝儀式。大家在這里吃了一頓香辣小龍蝦，還配上來自紐約布魯克林一家啤酒廠的Robot Fish IPA罐裝啤酒。在NASA，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的故事就像一起喝酒的邀請般傳得飛快，而我也學(xué)會了如何從小龍蝦頭里吸出美味的汁水。

測試進(jìn)展順利帶來的解脫感，很快轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ谖磥淼呐d奮之情。Radford解釋稱，當(dāng)前版本的Aquanaut主要是一套演示與測試平臺，專為相對較淺的水體環(huán)境設(shè)計(jì)——最大操作深度為300米。雖然這處版本已經(jīng)能夠在世界各地進(jìn)行商業(yè)運(yùn)營，但HMI公司已經(jīng)開始設(shè)計(jì)一款能夠行駛數(shù)百公里并下潛至3000米深度的大尺寸版本，相信其將為墨西哥灣等地區(qū)帶來新的福音。

當(dāng)然，商業(yè)運(yùn)營也并不是HMI公司為Aquanaut設(shè)定的唯一應(yīng)用方向。Radford表示不方便透露他們與美國國防部開展?jié)撛诤献鞯南嚓P(guān)消息，但在2018年末，國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）曾經(jīng)公布一個名為Angler的計(jì)劃，打算“開發(fā)海底自主系統(tǒng)，能夠自行導(dǎo)航并以物理形式操作海底的物體。”DARPA的聲明與Aquanaut擁有驚人的交集，雙方都提到將采用一艘?guī)в袃芍C(jī)械臂的流線型機(jī)器人潛艇。看起來，這對HMI公司來說是個大大的好消息。

派對仍在繼續(xù)，但人們已經(jīng)陸續(xù)回到自己的辦公桌前，打算讓Aquanaut為下一輪NBL測試做好準(zhǔn)備。其首次開放水域演示可能會在今年8月于羅德島舉行的海軍技術(shù)演習(xí)中進(jìn)行。對于這位今年3月才剛剛誕生的機(jī)器人明星而言，它的日程安排可謂相當(dāng)緊湊，但Radford堅(jiān)信自己的團(tuán)隊(duì)絕對應(yīng)付得了。

他總結(jié)道，“從事這類大膽的工作非常有趣。我們認(rèn)為絕對存在一種更好且更具成本效益的水下工作方式。我們打算證明自己的判斷。”