风能“极地漫游者”

　　“雪雁”低空飞行机器人

　　南极，地球上罕有的至今未被开发的洁净大陆，蕴藏着无数科学之谜。今年2月8日，中国南极中山站附近的冰盖上，一组红色的风车叶随风转动，带动一乘奇特的小车，在茫茫雪地里留下两行清晰的辙印。由我国自主研发的风能机器人——“极地漫游者”，就此“迈”出了第一步。

　　在前不久举行的2013中国极地科学学术年会上，“极地科考机器人装备”课题负责人秦为稼用生动地展示了我国研发的首台风能驱动机器人在南极大陆试验的场景。南极科考机器人从雏形到试验，已经历了七八个春秋。秦为稼表示，我们将机器人定位于探测南极冰架这一命题，未来的突破将使全世界为之振奋。

　　特殊环境催生极地科考机器人

　　南极地区环境恶劣，东南极埃默里冰架南北长达500公里，面积近6万平方公里。地表有冰裂隙，气候条件极端恶劣，给科学考察带来极大风险。因此，引入高技术装备，为更深层的极地科考寻找新的突破点，已成为迫切需求。机器人作为延伸科考能力的探测仪器，可具备漫游、观测、采样、分析等功能，对大范围、深层次极地探测具有重要意义。

　　秦为稼告诉记者，当初提出南极科考机器人概念的并不是极地专家，而是机器人专家。“对于他们的设想，我们的回答是肯定的。但是，起初对于南极科考机器人的功能和用途并不清晰。”

　　自2007年开始，由科技部主导的“极地科考机器人装备”课题启动，这也是我国高技术研究发展计划（863计划）主题项目“特殊服役环境下作业机器人关键技术”的课题之一，旨在针对南北极科考实际需求的多样性，突破极地机器人在极区恶劣环境下所必需的关键技术，结合高技术载荷的研制与集成，实现低空固定翼、超低空旋翼、长航程冰盖漫游3种类型机器人从实验样机到实用装备的跨越。同时，积极探索可再生能源及仿生水下机构技术，研制新型极地科考机器人样机，最终于我国在南极的观测和研究。

　　过去五六年里，极地科学家和机器人专家一直携手合作。“专家们将机器人的使命和目标定位在类似冰架观测这种重大科学命题上。”秦为稼说：“冰架作为冰盖和海洋的交汇区，是冰盖与海洋共同作用的产物。冰架失去平衡，会对冰盖和海洋产生重要影响，因而是南极气候系统的重要组成部分。研究冰架，无论是从冰冻圈视角，还是海洋学视角，都是前沿热点。但冰架到处都是冰裂缝，存在很大的安全隐患，人很难在上面大范围自由活动，而这正是机器人的用武之地。”

　　冰架考察将实现陆空联动

　　极地冰盖—冰架—海洋相互作用，是全球气候系统中人类了解最少的科学领域之一，对冰架底部融化机制和冰下海盆海洋过程认知更少。秦为稼认为，这主要是因为缺乏学科交叉与大科学集成，缺少关键技术手段。

　　“十一五”期间，经过不同单位的联合攻关，我国研制了具有自主知识产权的用于极地科学考察在冰雪面移动的机器人和低空飞行的机器人，成功推出实验样机；在此基础上，在冰雪面移动机器人本体运动机构、系统集成、环境感知及自主控制，飞行机器人低温小型航空发动机、动力电池及低温环境系统高可靠性等方面，取得技术突破，并完成了与科学载荷的集成实验。

　　据秦为稼介绍，可在冰雪面移动的机器人“极地漫游者”本体长1.8米，高1.2米，宽1.6米，重300公斤，能在风能发电驱动下不间断地昼夜行走，能跨越高度近半米以上的障碍物，并在冰盖复杂地形下进行多传感器融合的自主导航控制，实现国内通过卫星链路进行遥控，未来可搭载大气传感器、冰雪取样器、地理地质分析器50公斤的任务载荷。

　　另外，在中国第26次南极考察中，低空飞行机器人在南极进行了观测试验，验证了其系统的可靠性。此次考察期间，课题组成员在南极应用低空飞行机器人“雪雁”进行了大范围海冰观测实验。“雪雁”飞行机器人翼展3.2米，最大起飞重量约24公斤，有效载荷8公斤，续航时间4小时，适合在冰雪面进行起降。它搭载传感器设备在南极中山站附近40公里海域内累计自主飞行39个架次，获得了清晰的海冰形态图像和精确的海冰观测数据，为极地海冰研究提供了重要数据。

　　“低空飞行的机器人和冰雪面机器人相互配合，缺一不可，成为冰架观测的完美‘拍档’。与大型飞机不同，低空飞行机器人飞行高度低，在几十米到100米高度的上空都能进行精细航拍。它如同战场上的侦察兵，可以细致了解冰架整体情况。根据低空飞行机器人所收集的资料，可以对冰雪面机器人的活动方案、路径进行科学的规划安排。地面机器人可以搭载雷达、光学仪器等做观测。”秦为稼说。

　　据了解，目前我国已在南极进行了5次南极考察机器人试验。

　　机器人未来或可深潜冰海

　　当提及未来极地机器人将在我国极地科考中发挥的作用时，秦为稼表示，越来越多的极地科学家认识到，机器人在极地科学观测中有无法替代的作用。一旦冰架表面观测完成后，便可去观测水下。

　　秦为稼举例说，如埃默里冰架为狭长的喇叭口形状，外沿深度仅有四五百米深，而往里却有2000多米深，如同一个瓶子，大头在里面，小头在外面。此外，南向陆坡呈现更大的倾斜角，致使冰架水腔处在海平面以下近3000米的位置，水腔后端的水体与大洋交换不畅，形成半封闭的状态，也为突发事件提供了可能的自然条件。“黑暗的冰下极端环境是否呈现一个全新的世界，孕育着完全不同的生命物种和生态系统？这都需要我们去探索，而如果只靠传统方法根本行不通。

　　秦为稼有个大胆的假设，将来研制出水下极地机器人，可将它从普里兹湾放入海中，依靠最先进的水下定位导航技术和最先进的通讯技术，使其进入到埃默里冰架最深处，完成发现和监测这两大命题，去探寻未知物种，进行水下摄影、摄像，甚至还可能拥有“蛟龙”号般的机械手，可以抓取样品。另一方面，还可进行物理学的观测，比如冰架里外的水是如何交换的，海流的流场情况如何，温度和盐度又是怎样等等。

　　秦为稼告诉记者，极地科学有赖于自然科学与高新技术的并进与融合，他们将力争取得具有突破性、创新性的成果，这一切努力还仅仅是开始。

　　关键技术自主研发仍待突破

　　秦为稼说，综观国内外极地机器人研究现状，我国已与该领域的世界强国处于同一水平，在部分极地机器人装备及应用研究方面已走在世界前列。但他也坦言，无论是对新事物的态度还是关键技术的开发，我国在极地机器人的研究方面都存在很大提升空间。

　　“当我们刚开始研究极地机器人时，美国最高级别的工程学杂志就敏锐地察觉到了，并向我们约稿，可见他们对于创新科技的态度。作为现在的课题负责人，我体会特别深的是，国内新技术的研发环境还不是特别理想，我们不能总是怀疑新事物、而是要鼓励新的探索和研发。”秦为稼说。

　　从技术角度讲，极地机器人还属于技术集成范围，即把现成的组件拿在一起进行组合集成。秦为稼说：“如我们使用苹果手机打电话时，为了省电，安装了距离传感器，靠近人脸便可自动黑屏。与苹果手机里的距离传感器之类的高级元器件类似，极地机器人上游的一些高级元器件和技术，我们都是依赖进口。但国际上最高技术水平的产品是不可能对外销售的。而这些也是我们急需突破的瓶颈。”