機器人專題報導（二）： 實地跟訪–探索海底兩萬里祕境–水下機器人
105/01/25
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劉珈均｜
泛科學
探索海底兩萬里祕境：水下機器人
海洋充滿知識、謎團與冒險故事，深邃浩瀚的魅力令人難以抗拒。人類學會駕船穿越海洋「表面」，抵達海平線彼端，但海洋「深處」始終難以企及，其黑暗、寒冷、高壓讓人卻步（每深入水下10公尺就增加一大氣壓）。這就需要派遣水下機器人出任務，到深不可測的海底測繪探勘，有時也協助搜救，例如2014年美國派出「藍鰭21（Bluefin 21）」搜尋失聯的馬來西亞航空MH370班機。
相較於一般陸上的機器人有各式競賽，也有不少學生當興趣研究，水下機器人顯得「低調」許多。台灣大學工程科學及海洋工程系教授郭振華解釋，這是因為水下機器人牽涉的不只機械，還需要海洋相關知識配合，例如水中聲學、水下導航、造船原理、海洋科學、流體力學、耐壓防水結構、腐蝕防護材料、生物附著等知識，門檻高了許多。
郭振華是台灣最早研究水下機器人的學者之一，他出身於海洋物理，後轉至機械領域，研究水下機器人至今已20餘年。他說，當時水下機器人是尖端科技，現在已經商品化，不算稀奇，所以他轉向仿生應用，主攻載具設計，改良水下機器人的運作效率。
水下機器人最怕「迷路」和沒電
水下機器人大致可分成三種：「遙控式水下機器人（Remotely operated Vehicles, ROV）」、「自主式水下機器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）」以及低耗能的「自主式水下滑翔機（autonomous underwater glider, AUG）」。ROV與AUV多靠螺旋槳在水中推進，但ROV有纜線與海面上的母船相繫，母船傳輸電力與控制命令，ROV也藉纜線回傳蒐集到的資訊；AUV則透過聲波通訊，靠電池與自主導航程式巡游海中；AUG利用重力下潛，以垂直鋸齒狀軌跡在海中大範圍蒐集水文資訊，像緩速的雲霄飛車，續航力可達數月，航程達幾千公里，甚至可跨越大西洋。
工業用的水下機器人常用於協助海上施工、鋪設電纜與管線，一般可潛至3000公尺深；支援海洋科研工作的則要能依需求改裝，「像地質可能要採樣、生物可能要抓樣本等等。」海工所博士生黃盛煒舉例，現在海洋生物學家觀察珊瑚時只能選一小塊區域，潛水觀察記錄，使用水下機器人就能大範圍觀察，以前實驗室曾洽談合作，用水下機器人觀察澳洲大堡礁。
「水下機器人都是跟海洋有相關的人在作。」目前台灣研究水下機器人的學術單位還有中山大學、成功大學、海洋大學、國家實驗研究院的海洋中心等，各單位研究方向不同，有的強調深海應用（水下兩三千公尺），有的專攻克服淺海多變的水流。
黃盛煒說，水中環境很艱困，機器人在水下運作完全是另一回事，陸地上的汽車、機器人基本上是在二維空間活動，但海洋中，機器人跟飛機一樣是三維的運動。水下機器人最大挑戰在於導航與電力限制，水中難以像空中有GPS如此好的導航系統，「船可以看星星，但海洋中沒有東西讓你知道你確切在哪裡。」
黃盛煒解釋，他們主要運用「同時定位與構圖方法」，簡稱SLAM（Simultaneous localization and mapping），讓機器人在不熟悉的地方定位自己。人們到一個新地方，會邊走動邊紀錄門牌、盆栽等等環境特徵，建構對環境的初始認識，同樣的，「機器人在陌生環境游動，利用視覺系統感受有意義的特徵物，之後就能在游過的環境中精確定位自己的位子。」
該如何回收自行在水下悠游的AUV？「事先設定好終點座標，屆時再去接它。」黃盛煒回答，這也是定位和導航非常重要的原因，「像極地的研究者就常用到，在A地挖洞放AUV，在B地挖洞接它上岸，如果定位系統不好，AUV就回不來了！」
仿生設計──借力使力
海工所博士生陳冠宇說，工業用水下機器人本來就是要「做粗活」，母船會維持其電力，節能不在考量之列，他們導入仿生設計主要是給執行海洋調查、需要長時間潛航的水下機器人。「水不是均勻的，每個地方溫度、流速、鹽度可能都不同，旁邊有一股水流，我要怎麼利用這股水流讓它帶著我，而不是用螺旋槳硬推。」郭振華說。
海工所碩士生張佳恩說，駕馭水中的阻力和浮力是一個困難點，尾巴擺動和螺旋槳推進會造成不同的流場，「而魚是最省力的游法。」因此，實驗室將水下機器人設計成魚的流線型。仿生型機器人身上佈滿感測器，如何把波浪、亂流資訊納入控制系統運動是研究重點所在。
郭振華的水下載具實驗室開發了兩具仿生水下機器人「Nemo」與「Iron Fish」，它們集實驗室的技術於一身，在2012與2014分別參加日本海洋開發機構舉辦的水中機器人比賽，皆擊敗東京大學在內研究單位，獲得第一名。
Nemo與Iron Fish的差異在於推進方式，Iron Fish螺旋槳推進，效率較好但較耗電，胸鰭的作用像飛機的升降舵；Nemo則為仿生型，用仿魚鰾作為浮力控制，也有矽膠製、可彈性擺動的尾鰭，較為節能。郭振華說，它們能高速迴旋與下潛的關鍵在於，以運動方程式預估載具未來的運動範圍，再施以控制力，輔以少數環境觀測數據即可達到高速迴旋。
仿生機器人基本上是利用環境提升運動效能，起初實驗室鎖定模仿高速游動的魚，「因為操作簡單，主要就靠尾巴擺動。」漸漸地再模仿熱帶魚，為機器魚加上胸鰭跟尾鰭甚至腹鰭，除了外型，未來或許也會改良推進型態，例如烏賊式的噴射推進、像魟魚一樣滑翔。
黃盛煒說，日韓在水下機器人方面展現非常強大的野心，韓國2012年的麗水世界博覽會以海洋為主題，有專門展館展覽水下機器人，其中對海洋的恢弘願景令人印象深刻。
那，實驗室的未來想像是什麼？「想成立水下機器人大隊！」陳冠宇笑著說。國外已有利用機器魚混入真正的魚群，作為軍事用途蒐集資訊。實驗室也想把機器魚編成隊，分配區域「巡邏」水下環境，利用光通訊彼此溝通。
黑潮發電也是郭振華近年感興趣的主題，他身負第二期能源國家型科技計劃，設計一台水下載具停留於洋流中央，洋流會隨季節「飄移」，它也會調整與洋流相對位置，讓它保持在洋流中間，目前測試地點就在台灣東部的黑潮。
缺乏海洋政策的海島
台灣的水下機器人發展不蓬勃，除了知識門檻較高之外，產業結構也是一大因素。
台灣身為海島國家，雖有制定海洋政策白皮書，卻無統理海洋事務的政府部門，海洋事務分散不同單位，難以落實執行。郭振華說，國家的科技政策只著重發展特定領域，海洋工程相關產業付之闕如，水下載具人才的發揮空間非常有限。
此外，台灣水下機器人的應用領域較小，多集中在國防（例如資訊蒐集、拆除水雷、反潛）與海洋研究所需的海洋調查，不像外國有水下採礦或鑽油產業等工程用途，「全世界最大的兩間作（大型工業用）ROV的公司都在英國（編按： Perry Slingsby System和Soil Machine Dynamics），」陳冠宇說：「到水下佈管、切管對機器需求很大，曾聽說SMD接南美洲一個案子就30台ROV，一台都上億。」水下工程檢查、維修等維護工作也是個大需求。
「台灣不是完全沒有（工程）需求，而是都被外國人標走了。」陳冠宇舉例，像中華電信的纜線斷裂需要修復，或是海洋研究者有需要，都是租借外國研究船的時段與設備，他們來了又走，台灣沒機會累積技術，有緊急需求也不能隨傳隨到。「這是我們看得到的產業，若政府願意培養環境，就會有人願意投資這產業。」黃盛煒說。
郭振華建議，若要累積自己的技術，應由台灣海洋科學與海洋工程的科學家合作，共同主導大型的海洋工程計劃。黃盛煒也補充，應拉長研究計畫為期，才有時間培養人，而且要有制定規則，某些工作由我國的人執行。「現在海洋工程最被批評的就是我們要使用大陸船（去施工海上工程），其中除了有國安議題之外，這樣也無法培養台灣人。」
郭振華說，海洋研究偏向基礎建設，不會很快回收但效果長遠。水下機器人的需求龐大而且必要，就待產業建立。另一方面，他謙虛地認為水下仿生機器人研究尚處起步狀態，「我們就好好的把事情作好吧。」（本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿）
責任編輯：鄭國威
審校：劉珈均
