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海洋科學與技術:水下機器人–探索深海祕境的超級武器

您知道什麼是「水下機器人」嗎?為了在深海中能夠圓滿達成任務,用了多少尖端科技來發展水下機器人?您又可曾想像,在深海海底,水下機器人的工作環境又是如何呢?
 
 
 
2014年3月8日發生馬來西亞航空MH370班機失聯事件,為了能在黃金時間內找尋飛機的蹤跡,數十個國家提供了各式高科技設備投入搜救行動。遺憾的是,截至目前為止仍未確切找到飛機殘骸。環顧搜救過程,從一開始運用高解析度衛星影像找尋海下可能墜毀地點,到利用水下聲學技術搜索失蹤客機的黑盒子從海中傳出的脈衝訊號,以及使用美國海軍高科技水下機器人「藍鰭21(Bluefin 21)」搜尋飛機殘骸等策略,都屬於海洋科學與技術應用的範疇。

水下機器人(underwater robotics)並不只是用在救難搜索方面,它早已運用在海洋資源探測、海底地形測繪,以及海洋工程結構的建構與維護上。

身為21世紀的海洋子民,讓我們一起來了解這些會影響我們以及後代子孫的新科技產物,以及目前在我國的發展成果吧!

為什麼需要水下機器人

在還未發展機器人探索海洋之前,海底管線、電纜破損斷裂時必須修補,或檢查鑽油平臺、港灣碼頭在海面下的基礎結構是否安全穩固時,依靠的都是潛水人員。這些潛水人員必須冒著危險潛入深海,執行修補、檢查,甚至打撈的任務。

但隨著科技的進步,這些危險的任務已漸漸轉由水下機器人執行,包括石油開採、海底礦藏調查、水下搜尋與打撈作業,或檢查海底管線、水下結構物、海底電纜、鑽油平臺、港灣碼頭等水下設施、軍事作戰,大大減低了人員執行這些任務時所面臨的風險。

進入21世紀,為滿足開發海洋、永續海洋的需求,水下機器人已成為探索未知深海的重要工具,也是目前世界先進國家相互競爭、研發的目標。

向未知的海洋領域推進

由於黑暗、寒冷、高壓的限制,大部分的深海區域是人類未曾探索的範圍。因為海水會吸收並散射光線,懸浮在海水中的粒子也會散射光線,使得深海一片漆黑;海洋也吞沒了光線以外其他類型的電磁輻射,包括無線電訊號。

此外,深海寒冷至極,以海洋科技博物館(海科館)所處的臺灣東北角為例,水深500公尺海域的溫度通常只有攝氏4至6度。在深海中,毀滅性的壓力限制了一切進入其中的東西。這股力量與地面上的大氣壓力類似,但因為水的密度比空氣密度大得多,使得在海水中水深每增加10公尺,水壓便會增加約1大氣壓。

藉著高科技的協助,科學家設計出水下機器人,得以克服高壓黑暗的環境,幫助人類進出深海完成任務,或長期停留在海脊、海溝等深海特定區域內進行資料蒐集與探測工作。

水下機器人有哪些

水下機器人基本上可以簡單分為遙控式水下機器人、自主式水下機器人二種,自主式水下滑翔機則是自主式水下機器人的變形。

遙控式水下機器人 又稱為遙控式水下載具ROV(remotely operated vehicle),它們靠著一條內有銅線或光纖束的繫纜與海面上的工作母船(研究船)連結,以提供水下機器人運動所需的電力、傳遞控制命令,並傳回在海下所蒐集到的資訊。

ROV現已逐漸取代潛水人員而成為水下作業的主流,因為可以隨探勘目的加裝機械手臂,所以也使用於採集樣本、海底打撈及掃除水雷上。

自主式水下機器人 又稱為自主式水下載具AUV(autonomous underwater vehicle),它們經由聲波通訊,靠著自身攜帶的電池與自主的導航程式任意悠游在海水中。

AUV常運用於冰層底下的調查及製圖作業、軍事科學的應用、聲納部署及安全監哨、危險廢棄場地的調查、火山地震的地質震動調查及記錄、海底沉船偵測、港口監視、環境監測、海底電纜檢測等。

自主式水下滑翔機 自主式水下滑翔機(autonomous underwater glider, AUG)、ROV、AUV等都歸類為無人水下載具(unmanned underwater vehicle, UUV)。AUG與AUV相同,沒有纜線與研究母船連結。

AUG並不像AUV及ROV在海洋中靠傳統的螺槳推進,而是利用重力自然下潛,再用浮力引擎(一種可以抽、排水的裝置)產生浮力上浮。在上下的過程中,藉由雙翼轉換出向前的推力,使得AUG可循著垂直鋸齒狀軌跡的運動方式掃描海洋水體,大範圍蒐集海洋水文資料(如水溫、鹽度、壓力等),航程往往可以達到數千甚至數萬公里遠。

世界上AUG目前仍以從事研究用的居多,其水深範圍可及200至6,000公尺深海,水平速度則介於25公分∕秒(約0.5節)至40公分∕秒(約0.8節)。AUG可以在海中巡航數千公里進行長時間及大範圍作業的主要原因,是它在水中滑翔的過程中,除僅需耗費少量電能執行必要監測任務外,並不需要額外電能提供行進的動力。只有當AUG需要改變上浮、下沉狀態或傾角姿態時,才會啟動浮力引擎消耗電能。

水下機器人的特性

構造 為了能在深海中作業,水下機器人必須有好的結構設計,才能抵擋因深度而加大的海水壓力。其次,還要應用與整合感測與控制技術、訊號處理、動態估算、導航定位、通訊等尖端科技,使水下機器人成為具備智能的個體,才能靈活面對深海惡劣環境的挑戰。

導航與定位 水下機器人利用與裝置在海床上的聲波應答器網路對談方式,來確認自己的位置。每隔數秒鐘,水下機器人傳送一次聲波訊號給應答器網路,每個應答器則會以其特有的訊號回應水下機器人。從網路中三個應答器反應的資訊,水下機器人就能使用簡單的三角函數運算,並依靠導航技術得知目前所在的位置與方位。

速度 水下機器人藉由都卜勒聲納(一種應用都卜勒效應的聲納),向下方的海床前後左右四個方位送出固定頻率的聲波,然後收聽它們反彈回來時聲音頻率的差異,就可以推算出自己的速度。

依賴超音波在深海中潛航 一般而言,AUV水下機器人是靠著重力與浮力的作用,在海面至海底間來回穿梭。從海面下潛時,它利用重力滑翔而下,抵達目標點附近時,拋出部分的配重鉛塊讓浮力平衡了本身重量後,再開啟螺旋槳的推力,用最大速度在海下潛航。

這時,藉著超音波感測器,AUV水下機器人可以評估障礙物的距離,維持著與海底一定的高度航行。接著,裝載在AUV身體底部的聲納或攝影機陸續啟動,把拍攝到的海底影像資料儲存在電腦記憶體中。在電力即將耗盡時,AUV會自行拋去身上最後的配重鉛塊而輕輕上浮,回到出發時的海面。

海洋中的機器人大隊

受限於水下機器人自身所攜帶的電池能量,以及需耗費大量計算時間的傳統導航控制程序,要如何適應不同的海域條件,以及如何執行廣大海域面積的觀測任務,一直是水下機器人技術的挑戰。

集合多種水下機器人,組織成一個海洋偵測團隊的概念是可行的方向。以較低的成本,利用可量產的小型水下機器人,各自觀測特定的小範圍海域,再把觀測資料整合成大範圍的觀測結果,可有效達成廣大海域面積的觀測任務。

由於水下機器人團隊隊形的保持,可以利用相鄰水下機器人間的相對定位,因此不需昂貴的導航及通訊設備,也不用擔心必須花費大量計算時間才得以進行導航控制程序。而水下機器人團隊整體所形成的一個網路運動控制方式,也可降低每個水下機器人之間的相對位置誤差,有利於海洋資料的蒐集與分析。透過海面下群體機器人網路的協同分工作業方式,借助多機分工的概念來共同完成更大海域以及更複雜的任務,是未來水下機器人技術發展的重要趨勢。

透過整合不同水下機器人的感測器所蒐集到的資訊、團隊隊形控制技術的研發,以及海下通訊網路的建立,不同機型、功能的水下機器人之間得以相互通信、連結、溝通協調,完成水下機器人群體行為控制、監測管理、系統故障診斷等作業,實現其群體作業的理想。

由於水下機器人的設計與製造技術日漸成熟,在不久的未來,你我也可以靠著水下機器人加入深海探索的任務。你我不只是在遠處旁觀,而是可以積極參與,促成親近海洋、善待海洋,以至於永續海洋的目標早日實現。

此外,海科館的「船舶與海洋工程廳」展示包含生活與海運、船與港、港灣建設維護、船舶原理設計與建造、應用於現代船舶的科技,以及水下技術等主題,非常歡迎您蒞館參觀體驗。

我們的水下機器人

為了讓蒞臨海科館參觀的民眾以近距離方式,從推進、操縱控制、訊號處理技術等水下工程技術的不同面向,了解水下機器人的設計與運動原理,海科館與臺灣大學工程科學及海洋工程系郭振華教授主持的水下載具研發團隊,共同開發二具水下機器人Nemo及Iron Fish。

這二具水下機器人分別在2012年及2014年參加日本海洋開發機構舉辦的水中機器人競賽,以完美表現擊敗包含東京大學在內的十所大學與研究機構所研發的水中機器人,榮獲第一名。這證明在海科館展演的機械魚所具備的功能已獲得國際比賽的肯定!而海科館機械魚開發團隊研發的自主式水下載具及操作技術,更經由參與國際性水下機器人競賽的獲獎,證明臺灣在無人水下載具的研發能力已達世界水準,也具備先進水下機器人系統的製作工藝。

如今,您不用出國便可以在海科館目睹機械魚的精彩演出。目前,海科館在每個周六、日的下午輪流安排Iron Fish和Nemo二具機械魚,在兒童廳前的水下機器人展池迴游展演!有興趣一睹這二具冠軍機械魚英姿的民眾,歡迎蒞館參觀!

除了機械魚以外,海科館為了能對潮境海灣持續蒐集與探測水文資料,做為海灣保護復育的參考,訂製了一部可以在海中進行HD畫質攝影的AUV。未來,在海科館的展廳中可以讓您不需換裝潛水,也可以即時觀看由這部AUV在潮境海灣中所拍攝的美麗珊瑚,以及海灣復育景象。

進階知識

大氣壓力的來源是大氣層中空氣的重力,在海平面上的空氣壓力稱為1大氣壓,相當於每 1 平方公分承受 1.033 公斤的壓力。在高處的大氣層比較薄,那裡的空氣重力比低處小,因此在高處的氣壓比在低處低。比如在 2,500 公尺的高山上,氣壓比在海平面上低,大約只有 0.7 大氣壓。

利用聲波可以在海中做無線通訊,聲波在水中傳播的距離比光線遠,但速度慢很多。光的速度:在空氣中約為300,000公里/秒;在海水中約為225,000公里/秒。聲波速度:在攝氏25度的空氣中是346公尺/秒,在攝氏25度的海水中是1,531公尺/秒。

從日常生活中就可以感受到「都卜勒效應」,例如警車接近時,警笛聲的音調比較高,經過你的身邊後,警笛聲音調就變得較低沉。這是因為警車一邊發射聲波,一方面又朝著我們駛來,等到發射第二道聲波時,警車又更接近了你一些,造成警笛聲波峰之間的距離變近,聲波像是被擠壓一樣使得波長變短,頻率因此增加,聽到的音調就會比原來的警笛聲音調高昂。反之,警車駛離我們的時候,因為波長拉長,頻率降低,警笛聲就比較低沉,這就是由「都卜勒效應」造成的現象,這種現象在1842年由一位叫做都卜勒(J.C. Doppler, 1803 -1853)的奧國科學家所提出來。實際上,除了警車警笛聲外,飛機引擎聲、火車、消防車與救護車的笛聲都會出現都卜勒效應,有機會你可以實際體會一下。
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