在南海某海域的清晨，一臺直徑約70厘米的仿生水下機器人正以流暢的弧線潛入水中。它緊貼海底游動，與珊瑚礁的距離僅有幾厘米，周圍沉積物幾乎未被擾動。當(dāng)魚群突然掠過時，機器人靈活地調(diào)整姿態(tài)，從礁石縫隙間穿梭而過，宛如一只自由游弋的海底精靈。

這款名為“海龜”的敏捷型水下機器人由哈爾濱工程大學(xué)船舶與工程學(xué)院王剛教授團隊研發(fā)。它不僅實現(xiàn)了近海底觀測的厘米級精度，更以靈動的運動方式打破了傳統(tǒng)水下機器人“笨拙”的固有印象，為水下探測領(lǐng)域開辟了新的可能。

研發(fā)團隊的創(chuàng)新靈感源自海洋生物的智慧。在一次學(xué)術(shù)交流中，王剛教授注意到傳統(tǒng)底棲機器人存在兩大缺陷：螺旋槳攪動泥沙會破壞海底生態(tài)，且地形適應(yīng)能力較弱。而全球珊瑚礁正以驚人速度退化，潛水員每年僅有兩次觀測窗口，且無法觸及深水區(qū)，傳統(tǒng)水下機器人的觀測效果也難以滿足需求。

經(jīng)過對數(shù)十種海底動物的研究，團隊從海龜?shù)耐七M方式中獲得啟發(fā)。“海龜通過傾斜拍動前肢實現(xiàn)高效推進，同時減少水體擾動。”團隊成員劉開鑫介紹道。然而，將這一生物特性轉(zhuǎn)化為技術(shù)方案并非易事。

在設(shè)計過程中，團隊發(fā)現(xiàn)機器人的形狀和推進器布局會直接影響其上升速度，但缺乏可借鑒的先例。為此，他們運用數(shù)學(xué)方法建立模型，探究機器人、推力和速度之間的內(nèi)在關(guān)系。“這個模型不僅為珊瑚觀測機器人提供了量化依據(jù)，也為其他類似需求的水下機器人研發(fā)提供了參考。”王剛教授解釋說。

經(jīng)過半年多的反復(fù)試驗，團隊最終推導(dǎo)出機器人低擾動航行性能與推進器布局、外形參數(shù)之間的數(shù)學(xué)公式。這一成果使研發(fā)人員能夠在設(shè)計初期預(yù)測機器人的低擾動性能，無需反復(fù)進行實際試驗，大大提高了研發(fā)效率。

對比試驗顯示，傳統(tǒng)水下機器人靠近海底時會激起半米高的泥沙云，而“海龜”機器人憑借精準(zhǔn)布局的推進器，航行時幾乎不泛起漣漪，沉積物干擾降低了90%。這一突破讓國際同行驚嘆：水下觀測原來可以如此“溫柔”。

除了低擾動特性，“海龜”機器人還具備超強的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)水下機器人需保持一定高度航行，而“海龜”需貼近海底工作，距離珊瑚不超過1米，以便準(zhǔn)確捕捉顏色細節(jié)。這要求機器人具備超高靈敏度，能夠瞬時調(diào)整姿態(tài)。

“就像站在圓球上保持平衡一樣，機器人需要感知姿態(tài)變化并瞬時調(diào)整。”王剛教授比喻道。團隊通過創(chuàng)新“三點慣性測量感知方法”，將測試點移至機器人兩端，用半徑乘以切向加速度直接獲得角加速度。這一方法使數(shù)據(jù)噪聲降低了約76.2%，響應(yīng)時間縮短了1.1倍，傾角控制的穩(wěn)定性提升了7.16倍。

在載荷實驗中，“海龜”機器人面對4公斤的沖擊載荷時，能夠瞬時向上傾斜以補償失位情況，無論是沖擊載荷還是連續(xù)載荷，都能在0.45秒內(nèi)完成姿態(tài)修正。

為了使機器人在復(fù)雜海底地形中靈活穿梭，團隊在跟蹤算法中引入了姿態(tài)約束算法，將航行器姿態(tài)與環(huán)境碰撞關(guān)系深度融合。這一創(chuàng)新使機器人能夠?qū)崿F(xiàn)360度自由調(diào)整姿態(tài)，大大提高了敏捷性。

在實海測試中，科研人員設(shè)置了一個寬度1米、高度0.8米的異形框架，讓“海龜”機器人完成打結(jié)任務(wù)。對于寬度僅0.93米的機器人來說，這是一項極限挑戰(zhàn)。然而，“海龜”機器人僅用3分鐘就完成了任務(wù)，展現(xiàn)了其卓越的機動能力。

行業(yè)專家對這款“國際首臺敏捷型”水下機器人給予高度評價。他們認為，“海龜”機器人不僅能用于珊瑚觀測，還能在水下捕撈、搜救等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。目前，團隊正在為機器人增添更多功能，如搭載微距攝像頭捕捉珊瑚蟲的呼吸動作，配備機械臂實現(xiàn)定點駐留觀測，使其成為一個“海底監(jiān)控站”。