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这台“水下变形金刚”,正接受NASA测试,面向高难度海底工作

这台“水下变形金刚”,正接受NASA测试,面向高难度海底工作

▲ 图:Aquanaut机器人在美国宇航局(NASA)的中性实验室中接受水下漂浮测试。

在距我不远处,两名宇航员正在练习太空行走,我耳中听到的只有自己的呼吸声,以及耳机当中偶尔传来的控制中心播报,剩下的,就是一片寂静以及失重的世界。但这里并不是黑暗的太空,而是休斯顿宇航中心内一个巨大的深水游泳池。NASA利用这个环境训练宇航员在零重力环境下的适应能力。我得承认,观看宇航员的训练课程确实很有吸引力;但我现在有自己的任务——我紧盯着Aquanaut,同在泳池中接受测试的一台亮橙色机器人。

Aquanaut像一艘微型潜艇般顺畅地滑过水面。乍看之下,它似乎与其它无人驾驶型水下交通工具(unmanned underwater vehicles,简称UUV)没什么不同。这类设备的配置用于收集数据的传感器以及用于移动的推进器。但Aquanaut要更先进一些,它能够像电影《变形金刚》中的角色那样,从船体顶部伸出两条向两侧展开的巨大机械臂,一个装满传感器的楔形头部不断旋转,指引着机械臂在几秒钟之内完成变形。现在,原本线条圆润的潜艇变成了台半人形机器,并准备开始自己的工作。

Aquanaut代表着一种全新设计,其创造者是一家名为Houston Mechatronics(简称HMI)的初创企业,该公司希望借此彻底颠覆海底机器人技术。传统的UUV一般分为两类:用于远程测量任务的鱼雷式自由潜水器,以及必须配合支援船只并可进行水下操纵的方形远程操作机器。HMI公司希望将这两种模式结合起来,打造出一台变形机器人。这是个大胆的想法,以往从没人敢于尝试。

HMI公司的工程师们经常开玩笑说,打造变形金刚就是他们为之努力的终身目标之一,而且他们也坚信自己有能力做到。Aquanaut主要用于维修海底石油与天然气装置。拥有并运营这类基础设施的企业以往需要投入大量资金对设施进行检查与维护。然而,整个过程一直依赖于几十年来基本没什么变化的机器人技术,毕竟这种极端环境也只有机器人能够胜任。不过对于HMI而言,这并不是问题:在全部75名员工当中,有超过24名曾经为NASA效力。因此应对极端环境正是他们的拿手好戏。

HMI公司联合创始人兼首席技术官Nic Radford在休斯顿的NASA约翰逊航天中心工作了14年,且致力于推动先进机器人项目。他表示,“可以肯定的是,进入太空当然要比进入水下更加困难。但太空环境相对单纯,而水下环境则高度动态。虽然还无法肯定,但我初步认为机器人在水下工作时,其难度可能达到太空环境中的10倍甚至50倍。

Aquanaut是一款独一无二的无人水下航行器,其能够从专为长距离巡航设计的灵活潜艇,快速变形为能够执行复杂操作任务的半人形机器人。以下是具体变形过程:

这台“水下变形金刚”,正接受NASA测试,面向高难度海底工作

1.Aquanaut以潜艇模式前往海底工作场所。

2.在到达现场之后,机器人的船体顶部会上升,露出两个巨大的机械臂以及楔形的头部装置。

3.安装有立体摄像头、3D传感器以及声纳系统的头部会旋转到位。

4.机器人随后展开其强有力的机械臂,其上配备有力传感器以及爪式夹持器。

自从2014年创立HMI公司以来,Radford与另外两位联合创始人——Matt Ondler和Reg Berka——已经筹集到超过2300万美元的风险投资。如今,经过无数次的设计迭代,Aquanaut终于拼装了起来。但在进入海洋之前,机器人首先得在更为可控的实验室条件下证明自己,也就是在NASA的水池里施展一番。

NASA的中性浮力实验室(NBL)容纳着2350万升水,最大深度为12米,足以容纳大部分完整的国际空间站组件模型,且可提供充足的空间。宇航员可以在NBL当中体验近失重状态下的太空行走。就在今年3月下旬的这个清晨,HMI如约来到设施北侧,开始对Aquanaut进行测试。

在水深十米处,我背着两个高碳酸盐罐,尽可能以稳定的姿态跟踪机器人在水中的行动。Aquanaut刚刚来到这里八天,但整个测试进展顺利。唯一的小问题就是有时候机械臂的远程操作发生故障,不过HMI团队对此并不担心;他们知道还有很多工作要做,而机器人明天一早还会在这里待着他们。

Radford告诉我,他很喜欢运营初创企业那种刺激的感觉,这种节奏跟NASA这类大型政府机构按部就班的运营思路形成了鲜明的对比。在加入HMI公司之前,他曾在NASA Robonaut项目当中担任过五年的总工程师职务,负责开发一台用于国际空间站的人形机器人;在此之后,他又领导了Valkyrie项目的开发,这是一套更加复杂的人形机器平台。在HMI的个人办公室里,他摆上了Aquanaut原型设计的小型3D打印模型,墙上则画着Valkyrie与漫威钢铁侠的涂鸦形象。

他表示,“我们在NASA培养起的技能类型,主要是将机器人置于偏远的位置,让它们在严峻的环境下执行实用性工作。而由此带来的成果,正好适合海洋当中的实际需求。

我们听说以及看到过的海上石油与天然气作业任务,大部分是通过海上平台完成的。人们从这里执行水下钻井作业。虽然平台是工作当中最显眼的部分,但海底也部署有大量复杂的基础设施。

海底的井口处设有一个金属盖,负责将碳氢化合物导向海面。这套复杂的结构包含管道、阀门、歧管以及众多仪表,很多从业者将其戏称为“圣诞树”。有些井体甚至有四层楼那么高。

这台“水下变形金刚”,正接受NASA测试,面向高难度海底工作

▲ 图为Aquatic机器人。在潜艇模式下,Aquanut能够调查并检测部署在海底的石油与天然气设备。而在人形模式下,机器人则能够利用其机械臂抓住专用工具并操作控制碳氢化合物流向海面的阀门。

为了对井口进行日常维护,或者改变开采物的流出,我们必须转动“树”上的某些阀门。但由于井体往往深藏海中——有时候深度达300米以上——潜水员通常无法前往,因此唯一的办法就是使用机器人载具。

几十年以来,在深海井上工作的常规程序就是向井场发送远程操作的水下航行器(ROV)。然而,我们不可能单独发送ROV,同时还得配合一条满载经验丰富工作人员的大型支援船,将其作为ROV的行动基地。以往的ROV几乎或者完全没有自主能力,其只能接受海面上的指挥与控制。这无疑会极大增加设备的运行成本,典型的工作流程每天会带来数万甚至数十万美元开销。

HMI公司希望消除传统方法中的种种弊端。Aquanaut机器人不需要系绳或者支援船,其能够以潜艇模式前往深海目的地,在这里变化为人形,而后使用强大的机械臂完成任务。每个机械臂都配有扭矩传感器,并凭借着八个运动轴实现类似于人类手臂的运动能力。Aquanaut上的机械臂能够转动海底阀门的夹具,甚至能够使用内部负载舱中携带的专用维护工具。

Aquanaut能够自动执行任务,人工操作员只负责监督但不必直接控制其具体行动。一旦工作完成,机器人还能自动返回基地。Radfrod表示,这种方式使得Aquanaut拥有更快的部署速度,运营成本也远远低于现有ROV。他估计,其成本可能仅相当于传统解决方案价格的一半。

而这台机器人推出的时间也可谓恰到好处。根据海底技术先驱Chuck Richards(目前担任华盛顿特区海洋技术协会ROV委员会主席)表示,过去几年石油价格一路走低,利润的下滑导致石油公司之间的竞争态势进一步加剧。这意味着谁掌握了新技术,谁才能在激烈的对抗中生存下去。Richards在休斯顿创办的Richards & Associates公司就在为数十家海底维护企业提供设备,其中也包括HMI。他解释称,尽管整个行业对于像Aquanaut这样的创新成果往往保持谨慎态度,但看到这种新型机器人的强大能力仍然令人感到相当振奋。

Richards解释称,上世纪七十年代商用ROV技术的发展成熟使其迅速被行业所接受。而且刚起步时,相关产品同样比较粗糙。他回忆道,“不过随着ROV行业的进步,石油企业对其表现出了极大的耐心与肯定。在我看来,他们没有理由拒绝自动化程度更高的新型载具。

这台“水下变形金刚”,正接受NASA测试,面向高难度海底工作

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▲ 图为智能潜艇: 来自HMI公司的工程师们正在检查Aquanaut的头部(机器人的各主要传感器都集中在此处),为机器人的水下测试进行准备(上图)。传统的无人水下航行器需要由人工操作员进行实时操纵,但Aquanaut则凭借着传感器与计算系统表现出更强大的自主能力,可以在操作员的监督之下执行任务,而无需直接加以控制(下图)。

相对于传统ROV,Aquanaut的主要优势在于其操作不受限制。但是,HMI必须克服几个关键问题才能真正实现这一功能。首先,如何在没有大型支援船的前提下将机器人送至现场位置。虽然Aquanaut能够通过相对较小的船只完成部署,甚至由直升机运送至目标地点,但该机器人也能够在潜艇模式下行驶200多公里。在到达之后,机器人就会变形为ROV模式。其船体内部藏有额外的微调推进器,能够以灵活的方式调整自身姿态。

变形本身又是另一项重大挑战,同时也在团队内部引发了激烈争论。Aquanaut首席工程师Sandeep Yayathi(曾任NASA月球探测器项目动力负责人)表示,“我们曾经爆发热烈的冲突,希望证明并不一定非得采用变形这种设计。”然而,该小组最终认定变形的优势将超过由此带来的复杂性,而这一意见也最终让水下“变形金刚”成为现实。

为了让Aquanaut能够大幅度改变自身形态,该机器人配备有四个定制型线性执行器,能够将身体的上半部与下半部彼此分离开来。此外,机器人还在防水外壳上安装有额外的定制电机,用于驱动机械臂及头部。在电源方面,Aquanaut使用类似于电动汽车中的锂离子电池。目前,其完全变形只需要30秒时间。

但这一切挑战,也许都不像设计Aquanaut的控制系统那么困难。传统的ROV具有多台实时摄像机进行信息进行馈送,而人类操作员则实时利用操纵杆控制载具行动。如今没有系绳,与Aquanaut进行通信的唯一方法就是通过声学调制解调器。这种成熟的技术能够覆盖水下几十公里的范围,但却具有高延迟以及极低的传输带宽的问题——每秒只能传输几KB数据。HMI公司计划依靠小型无人水面舰艇作为机器人与通信卫星之间的中继器,如此一来Aquanaut将能够在世界任何位置接受控制。然而,过多的传输限制使得人类无法直接对其进行操作,因此Aquanaut需要尽可能多地提升自主行动能力。

Yayathi解释道,“自主能力非常重要,我们需要有信心将众多任务交给机器人自行解决。

HMI公司计划保持对Aquanaut的高级监督控制,同时将大部分低级决策委托给机器人上强大的机载计算机。这些计算机将负责运行机器人操作系统——简称ROS,这是一种适用于研究型及商业型机器人的流行软件平台。利用头部传感器套件,包括立体摄像头、结构光传感器以及声纳系统,机器人将能够为周边环境构建起详尽的3D渲染结果。然而,其并不会将完整的3D地图发送给操作员,而是仅传回极小且经过高度压缩的特定部分;在此之后,操作员能够将其与Aquanaut正在观看的现有结构模型相匹配。

操作员随后发送一些比较简单的命令,例如“将处于某些坐标处的阀门顺时针旋转90度。”机器人将自动决定如何抓住阀门以及施加怎样的力道,并在任务完成后发回确认提示。总体来讲,操作员仍然负责指挥机器人的行动,但不再依靠直接的手动操纵,也不再需要极度占用带宽的实时视频输入。

HMI公司的长期目标是将Aquanaut转化为一种即服务方案。利用部署在北海或者加利福尼亚海岸等地的小型机器人队列,石油与天然气公司只需要提供需要完成的任务细节,HMI方面就会安排最近的机器人前往处理。Radford表示,操作传统的单一ROV大约需要7个人,但“我们认为我们可以把问题掉转过来。我们相信一位操作员能够控制7台Aquanaut。

休斯顿大学机械工程学教授、国际海底工程研究所所长Matthew A. Franchek表示,由于采用低带宽连接且操作员只是间歇性介入操作循环,Aquanaut可能存在更大的出错风险。他表示,“其中存在不确定性。我担心操作当中会出现故障,并引发财务与环境方面的不良后果。虽然这项技术令人兴奋,但其还需要证明自己确实能够发挥预期作用。

这台“水下变形金刚”,正接受NASA测试,面向高难度海底工作

▲ 图:为了在受控环境下测试Aquanaut,HMI公司将这台机器人带到了世界上最大的室内游泳池之一——NASA的中立浮力实验室。宇航员在这里接受零策略环境下的模拟训练,其规模足以容纳国际空间站各主要模块的全尺寸模型(见图中背景)。

在对Aquanaut进行了三天的测试之后,开发团队在HMI办公室后面的停车场举行了一场庆祝仪式。大家在这里吃了一顿香辣小龙虾,还配上来自纽约布鲁克林一家啤酒厂的Robot Fish IPA罐装啤酒。在NASA,关于机器人技术的故事就像一起喝酒的邀请般传得飞快,而我也学会了如何从小龙虾头里吸出美味的汁水。

测试进展顺利带来的解脱感,很快转变为对于未来的兴奋之情。Radford解释称,当前版本的Aquanaut主要是一套演示与测试平台,专为相对较浅的水体环境设计——最大操作深度为300米。虽然这处版本已经能够在世界各地进行商业运营,但HMI公司已经开始设计一款能够行驶数百公里并下潜至3000米深度的大尺寸版本,相信其将为墨西哥湾等地区带来新的福音。

当然,商业运营也并不是HMI公司为Aquanaut设定的唯一应用方向。Radford表示不方便透露他们与美国国防部开展潜在合作的相关消息,但在2018年末,国防高级研究计划局(DARPA)曾经公布一个名为Angler的计划,打算“开发海底自主系统,能够自行导航并以物理形式操作海底的物体。”DARPA的声明与Aquanaut拥有惊人的交集,双方都提到将采用一艘带有两支机械臂的流线型机器人潜艇。看起来,这对HMI公司来说是个大大的好消息。

派对仍在继续,但人们已经陆续回到自己的办公桌前,打算让Aquanaut为下一轮NBL测试做好准备。其首次开放水域演示可能会在今年8月于罗德岛举行的海军技术演习中进行。对于这位今年3月才刚刚诞生的机器人明星而言,它的日程安排可谓相当紧凑,但Radford坚信自己的团队绝对应付得了。

他总结道,“从事这类大胆的工作非常有趣。我们认为绝对存在一种更好且更具成本效益的水下工作方式。我们打算证明自己的判断。

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