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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 瀏覽次數 7229
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

 




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