“海航员”机器人Aquanaut——水下变形金刚

离我不远，两名宇航员正在练习太空行走。在一片死寂中失重，只有自己的呼吸和耳机中时有时无的音乐打破这种死寂。但我不是出于黑暗的外太空。我其实在美国休斯顿一个巨大的游泳池潜水。在这里，美国宇航局用它来训练宇航员适应零重力环境。尽管观摩穿着太空服的宇航员工作也是蛮有意思的事，但老实说，我这次可不是来看宇航员的。我来这里是为了看一个名为“海航员”（Aquanaut）的机器人！

机器人Aquanaut就像一艘微型潜艇一样顺畅地滑过水面。起初，它看似与其他无人驾驶水下交通工具AUV并无不同，配备了用于收集数据的传感器和用于推进的推进器。然而，就好像电影《变形金刚》中的桥段一样，机器人的顶部突然露出两个从两侧展开的大臂。一个装满传感器的楔形头部旋转到位，在几秒钟内完成了变形。光滑的潜艇现在是一个半人形的机器人，准备开工。

机器人Aquanaut代表了一种全新的设计方向，它的开发者是一家名为Houston Mechatronics Inc.（HMI）的创业公司，开发人员希望革新海底机器人技术。传统的潜水机器人通常分为两类：用于远程测量任务的鱼雷式自由游泳潜水器，以及用于支撑船只并用于水下操纵的四四方形远程操作机器。HMI希望将这两种模式组合成一个机器人。这是一个大胆的方法，以前没有人尝试过。

HMI工程师经常开玩笑说开发一款变形金刚是他们长期的职业目标之一，他们确信可以做到。Aquanaut主要用于维修海底石油和天然气装置。拥有和运营这种基础设施的公司会花费大量资金来检查和维护它。它们依赖于几十年来没有根本改变的机器人技术，主要是因为在如此极端的环境中工作的挑战。然而，对于HMI而言，这不是问题：在其75名员工中，有超过24名曾经为NASA工作过。极端环境是他们最擅长的。

HMI联合创始人兼首席技术官Nic Radford在休斯顿的NASA约翰逊航天中心工作了14年，致力于先进的机器人项目。“我会告诉你，进入海底比进入太空更困难，”他说。“太空是一个原始的环境。海底则是非常动态的。在水下工作的机器人比在太空中面对10倍乃至50倍的困难。”

十米下，背上有两个高碳酸盐罐，当我跟踪机器人在水中移动时，我尽量保持稳定。Aquanaut现在只用了大约八天，但测试进展顺利。唯一的瑕疵是手臂的沟通故障，但HMI团队并不担心;他们知道还有很多工作要做，机器人将在明天早些时候回到这里继续测试。

Radford告诉我，他喜欢经营创业公司的狂热，这与美国宇航局等巨大政府机构的典型步伐形成鲜明对比。在HMI之前，他花了五年时间担任NASA Robonaut项目的总工程师，开发了一个飞到国际空间站的人形机器人，后来他领导了Valkyrie的开发，这是一个更加复杂的人形平台。在他的HMI办公室里，Aquanaut原型的小型3D打印模型适合于Valkyrie和Marvel的钢铁侠的墙艺。

我们看到和听到的关于海上石油和天然气行业的大部分内容涉及从平台进行的工作，人们从地面进行水下钻井作业。平台是该过程中最明显的部分，但海底也有大量复杂的基础设施。

海底的井口由用于控制碳氢化合物流向地面的金属组件加盖。这些结构由管道，阀门，歧管和仪表覆盖，如此复杂，通常被称为“圣诞树”。有些是四层楼的大小。

Aquatic Handyman：在潜艇模式下，Aquanaut调查并检查部署在海底的石油和天然气设备。在人形模式中，机器人使用其手臂抓住专用工具并操作控制碳氢化合物流向地面的阀门。

几十年来，在深水井上工作的既定程序是向井场发送远程操作的水下航行器（ROV）。但是你不能单独发送ROV  – 你还必须派遣一支装有训练有素的人员的大型支援船，作为ROV的作战基地，ROV很少或根本没有自主权，并被束缚在水面上权力和控制。这非常快速地变得非常昂贵，典型的工作每天花费数十到数十万美元。

HMI的计划是切断人们对此的大部分需求。Aquanaut不需要系绳或支援船。它将以潜艇模式进入其深水目的地，在那里它将变为人形，展现其强大的武器。每个臂都配有力 – 扭矩传感器，并具有八个运动轴，类似于人的手臂。Aquanaut上的手臂还具有能够在海底“树木”上转动阀门的夹具，甚至可以操作机器人在内部有效载荷舱中携带的专用维护工具。

Aquanaut将执行人工操作员监督但不直接控制它的任务。一旦工作完成，机器人将自动返航。Radford表示，这种方法将使Aquanaut的部署速度更快，运营成本也比现在的ROV更低。他估计成本可能远低于传统业务市场价格的一半。

时机似乎是正确的。根据海底技术先驱——目前担任华盛顿特区海洋技术协会ROV委员会主席——查克•理查兹（Chuck Richards）的说法，过去几年石油价格低廉，削减了利润，导致石油公司之间竞争加剧，推动新技术的采用。Richards位于休斯顿的公司Richards＆Associates，为数十家海底公司提供设备 —— 其中包括HMI ——解释说，尽管该行业可能会对像Aquanaut这样的创新持谨慎态度，但看到机器人可以做什么，他也感到很兴奋。

Richards解释说，当商业ROV技术的优势在20世纪70年代推出后变得明显时，该行业急于接受它，即使事情在一开始有点粗糙。“随着ROV行业的成熟，石油公司对ROV行业非常有帮助和耐心，”他说，“而且我认为他们将采用更自动化的装备。”

Aquanaut相对于传统ROV的主要优势在于其不受限制的操作，HMI必须解决几个关键问题才能实现这一功能。首先是在没有大型支撑船的情况下将机器人送到离岸工地。虽然Aquanaut可以从相对较小的船只部署，甚至从直升机上撤出，但机器人可以在潜艇模式下行驶200多公里。一旦它到达，机器人就会转变为ROV模式，船体内部隐藏着额外的推进器，使其更加灵活。

转型本身是另一项重大挑战 – 也是内部辩论的源头。Aquanaut的首席工程师Sandeep Yayathi表示：“我们全力以赴地试图证明我们不需要这样做。”在此之前，HMI是美国航空航天局月球探测器探测器的动力导致。但该小组最终认为其好处超过了增加的复杂性：他们将建造他们的水下“变形金刚”。

为了使Aquanaut能够如此大幅度地改变其形状，该机器人配备了四个定制的线性执行器，可分离其身体的上半部和下半部。额外的电机，也高度定制和安装在防水外壳，驱动手臂和头部。对于电源，Aquanaut使用类似于电动汽车中的锂离子电池。完全转型目前只需30秒。

但也许这些挑战都不如设计Aquanaut的控制系统那么重要。传统的ROV具有多个实时摄像机馈送，并且人类操作员实时地用操纵杆操纵这些车辆。没有系绳，与Aquanaut通信的唯一方法是通过声学调制解调器。这种成熟的技术在水下几十公里的范围内，以高延迟和非常低的带宽为代价，在每秒几千字节的附近，充其量。HMI计划依靠小型无人水面舰艇作为机器人和通信卫星之间的继电器，从那里，Aquanaut可以在世界任何地方进行控制。然而，这些限制使得直接的人类控制变得不切实际，因此Aquanaut需要尽可能多地做到这一点。

HMI计划维持对Aquanaut的高级监督控制，同时将大多数低级决策委托给机器人强大的机载计算机，这些计算机运行机器人操作系统，或ROS，一种用于研究和商业机器人的流行软件平台。使用头部的传感器套件，包括立体摄像头，结构光传感器和声纳系统，机器人构建了周围环境的详细3D渲染。但是，不是尝试将整个3D地图发送回操作员，而是仅传输非常小且高度压缩的子部分，然后操作员可以将它们与Aquanaut正在查看的结构的现有模型匹配。

操作员然后发送简单的命令，例如“将阀门在这些坐标处顺时针旋转90度。”机器人将自动决定如何抓住阀门以及转动时施加的力量，并在任务时发回确认完成了。操作员仍在指导机器人的动作，但其方式不需要手动操纵机器人，也不需要带宽密集的实时视频输入。

HMI的长期计划是将Aquanaut干预措施作为一种服务出售。使用分布在北海或加利福尼亚海岸等地区的小型机器人队列，石油和天然气公司只需要完成给定的任务，然后HMI就会安排最近的机器人来处理它。Radford表示，操作单一传统ROV大约需要7个人。“我们认为我们可以反过来，”他说。“我们认为一个运营商可以运营七个Aquanauts。”

休斯顿大学机械工程教授兼国际海底工程研究主任Matthew A. Franchek表示，由于低带宽连接和操作员只是在循环中间歇性地运行，因此可能存在更大的出错风险。研究所。“存在不确定性，”他说。“我担心手术中会出现故障，这可能会带来财务和环境方面的后果。虽然这项技术令人兴奋，但它们需要证明它能够发挥作用。

在NBL测试Aquanaut三天后，该团队在HMI办公室后面的停车场吃小龙虾庆祝，喝着不合时宜的“鱼形机器人”——来自纽约布鲁克林的一家啤酒厂，话说有关机器人的段子在NASA流传起来，速度跟喝啤酒一样快，而我也终于学会了如何更“优雅”地吃小龙虾。

测试进展顺利的一种解脱感，很容易转变为对未来的兴奋。Radford解释说，当前版本的Aquanaut主要是一个演示和测试平台，专为相对较浅的水而设计，最大操作深度为300米。虽然这个版本可以在世界许多地方进行商业运营，但HMI已经在设计一个可以行驶数百公里并达到3000米深度的放大版本，这对于海湾等地区来说是必不可少的。

当然，商业运营并不是HMI为Aquanaut探索的唯一内容。Radford无法公开与美国国防部合作的所有记录，但在2018年末，国防部高级研究计划局（DARPA）宣布了一项名为Angler的计划，寻求“开发海底自主系统，可以导航到以及在物理上操纵海床上的物体”。DARPA的声明，以及配图是一个带有两个臂的流线型机器人潜艇的宣传，对这家休斯顿公司来说是个好兆头。

本文将出现在2019年8月的印刷版《水下变形金刚》中。全文由机器人TV翻译，中文版权归机器人TV所有，转载请注明翻译来自机器人TV。感谢垂阅。