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在休斯敦巨型人造湖中,NASA “养”了一只海底变形金刚

在休斯敦巨型人造湖中,NASA" 养 " 了一只海底变形金刚

大数据文摘出品

来源:IEEE

编译:楚阳、邢畅、李雷

周围是湛蓝的一片,不远处,两名宇航员正练习太空行走,在这个静谧的空间里,只有呼吸声和耳机里偶尔来自指挥部的指令才会打破这沉默。

别误会,这可不是太空,而是在休斯顿一个巨大的水池里,美国国家航空航天局(NASA)用它来训练宇航员适应失重环境。

和宇航员一起在水中漂浮的还有一个巨大的橙色的机器人—— Aquanaut。

它像一艘微潜艇一样平稳的穿梭于水中。开始的时候,它和其他无人水下航行器并没有什么差别,都靠传感器收集数据,借助推器前进。然后,画风突变,Aquanaut 就像变形金刚一样,背部隆起,露出两只胳膊,很拽地扭动着满是传感器的脑袋,不一会儿,变身完成,海底变形金刚 Aquanaut 就正式上线啦!

个中乾坤

Aquanqut 相较于其他无人水下航行器中是很特别的。在执行远距离巡航任务时,它可以是一只敏捷的鱼雷式潜艇,在执行复杂的水下作业时,它又可以变身为一个半人形的机器人。其变身过程如下:

1.Aquanaut 以流线型潜艇形态驶向工作地点;

2. 达到工作地点后,它的背部船体可以升起,露出两只手臂和楔形的头部;

3. 携带立体摄像头、3D 传感器和声呐系统的头部旋转到位;

4. 展开两只大手臂,上面装配有压力传感器和爪形夹钳。

插图来源 : Houston Mechatronics

Aquanaut 打造完成已经经过了无数次的设计、修正,为了能够大幅度地改变形状,Aquanaut 配备了四个定制的线性执行器,可以将身体的上下两部分分开。额外的特制电机安装在防水外壳中,用以驱动手臂和头部。在动力方面,Aquanaut 使用的锂离子电池与电动汽车所用的类似。目前,完整的变形只需要 30 秒。然而,在真正下海之前,Aquanaut 需要在更严苛的条件下证明自己的实力,因此,它被送到了 NASA 的大水池中。

最大深度 12 米,拥有 2350 万升水的 NASA 中性浮力实验室(NBL),大到几乎可以容纳整个国际空间站。航天员们在 NBL 中练习太空行走,达到在地球上最接近失重的状态。从 3 月下旬的一个早晨起,NBL 将泳池的北端划给 Aquanaut 以测试其性能。

Photo: Ken Kiefer 摄影:Ken Kiefer

图 : HMI 把 Aquanaut 带到世界上最大的室内水池,在受控条件下对其进行测试。NASA 的中性浮力实验室,用于帮助宇航员适应零重力环境,它大到几乎可以容纳整个国际空间站。

水下变形金刚:Aquanaut 的用途

休斯顿机电一体化公司(HMI)是个初创企业,这里的工程师们想彻底改变水下航行器的现状,而 Aquanaut 将成为一个里程碑。传统的 UUV 大致分为两种:可执行远程探测任务的鱼雷式水下航行器;可实现水下操作的无人远程控制水下航行器,这类航行器通常需要其他船舶辅助监督或控制。HMI 创造性地将两者结合为一体,虽然经常开玩笑说要打造一个变形金刚,但 HMI 的工程师们对 Aquanaut 却十分有信心。

Video: Evan Ackerman/IEEE Spectrum

海上油气开发公司大都需要建立一个海上平台,人们从这个平台表面开始进行水下钻井作业。虽然我们看到的只有海面平台部分,但大量的高端设备实际存在于海面之下。

为了执行日常的钻井口维护,或者调整天然气的输送量,就需要转动位于水下 300 米的钻井阀门,这靠潜水员是无法做到的,唯一的方法就是水下机器人。

海底的钻井口使用特制的井盖,用以控制将天然气输送到海面。整个结构还包含管道、阀门、气体歧管和测量仪器,如此复杂,以至于人们称之为 " 圣诞树 "。有些 " 圣诞树 " 甚至有四层楼那么深。

插图来源:James Provost

Aquanaut 的主要功能是维护海底的石油和天然气设备,运营这些设备的公司通常要花费大量的资金来维护它们。由于水下极端的工作环境,维修人员只能依靠机器人,但数十年来水下机器人技术并没有实质性的变化。然而,对 HMI 来说,这并不是问题,它的 75 名员工里有超过 24 名曾就职于 NASA,处理极端环境正是他们所擅长的。

Aquanaut 在潜艇模式下可以检测深海底的油气设备,在人形模式下可以手持特制工具转动阀门来控制天然气的输送。开发人员将大部分低级决策交给其强大的机载电脑,电脑运行在机器人操作系统 ( ROS ) 上,这是一个用于研究和商业机器人的软件平台。利用头部的传感器套件,包括立体摄像机、结构光传感器和声纳系统,机器人可以对周围环境进行详细的 3D 渲染。与将整个 3D 地图发送给操作人员不同,Aquanaut 传输的只是非常小且高度压缩的部分,然后操作人员可以将其与 Aquanaut 正在查看地形的现有模型进行匹配。最后发送简单的命令,比如 " 将这些坐标的阀门顺时针方向旋转 90 度 ",机器人会自主决定如何抓住阀门,以及施加多大的力,当任务完成时,它会发回确认信息。操作人员仍在指挥机器人的动作,但不需要手动操纵机器人,也不需要高带宽的实时视频输送。

在过去,想要控制这种深水阀门,就必须遥控无人潜水器(ROV)到达指定位置。然而,仅仅是 ROV 还不够,还需要派遣一只训练有素的技术人员队伍乘船对 ROV 进行操控,因为 ROV 本身的自动化程度不高且受制于远程控制。这个过程是十分烧钱的,每天会花费数万到数十万美元不等。

那么 Aquanaut 和传统的 ROV 有什么不同呢?

Aquanaut 与 ROV

相比于传统的 ROV,Aquanaut 的主要优势在于其操作不受限制,但 HMI 还须解决几个关键问题才能实现这一功能。第一个问题是在没有大型支持船只的情况下将机器人送到离岸工作地点。Aquanaut 可以部署在相对较小的船只上,可以从直升机上降落,也可以在潜艇模式下自动行驶 200 多公里。一旦到达指定地点,就能转换成 ROV 模式,额外的推进器折叠起来隐藏进船体,使其更具可操作性。

传统的 ROV 有多个实时摄像头,操作人员可以用操纵杆实时操纵。在没有通讯电缆的情况下,与 Aquanaut 通信的唯一方式是通过声波调制解调器。但这种成熟的技术在水下的使用范围只有几十公里,并且代价是高延迟和极低带宽,最多每秒几 kb。HMI 打算依靠小型无人水面舰艇作为机器人和通信卫星之间的中继,减少人的参与,从而可以在世界任何地方控制 Aquanaut。然而,这些限制使得直接的人为控制变得不切实际,所以 Aquanaut 需要尽可能自己完成任务。

技术人员只会监督而并不直接控制 Aquanaut 执行任务。任务完成,它就自动归位。Radford 说,这种工作方式不仅使 Aquanaut 的配置比 ROV 更便捷,而且成本也会减少近一半。Aquanaut 不需要其他辅助船只。它可以在潜水艇模式下游到深水钻井旁的指定位置,然后展开双臂切换到人形模式。每一只胳膊都装有力矩传感器并且可以向八个方向移动,就像人的胳膊一样,胳膊末端的 " 爪子 " 不仅可以转动深水井的阀门,还可以从它的 " 内脏 " 取出维护工具进行维护作业。

商用价值

据海底技术专家,现任华盛顿哥伦比亚特区 ROV,海上技术协会主席的 Chuck Richards 所说,过去几年,石油低价造成石油公司的利润下滑,竞争激烈,这使得它们不得不采用新的技术。Richards 位于休斯顿的公司,向包括 HMI 在内的数十家从事海洋业务的公司提供新设备。这意味着,尽管这些公司对 Aquanaut 这样的科技新秀仍然持谨慎态度,但同时它们也期待着这些机器人可以大展身手。

Richards 谈到,自 1970 年商用 ROV,其优势不断显现,尽管一开始这一技术并非娴熟,但却非常受海洋油气业的欢迎。他说:" 石油公司很耐心地等待 ROV 技术的成熟,并且给予了很大的帮助,因此,有理由认为这些更加自动化的水下航行器也会受到同样的欢迎。"

摄影:Evan Ackerman。图:(上)HMI 的工程师在检查 Aquanaut 的头部(主要的传感器都装在头部),为下水做准备。(下)传统的无人水下航行器需要技术人员控制它的传感和计算系统,以完成自动操作,它可以在技术人员的监督下执行任务而不需要人的直接控制。

未来路途遥远

HMI 的联合创始人兼首席技术官 Nic Radford,曾在 NASA 的休斯顿约翰逊航天中心工作了 14 年,主攻前沿机器人项目。他表示:" 飞入太空比潜入海底要难,但太空很安静,而海底却极其动荡。海底机器人的工作难度到底是太空机器人的 10 倍还是 50 倍,这个还真不好说。"

休斯顿大学机械工程学教授、国际海底工程研究所所长 Matthew A. Franchek 表示,Aquanaut 的低带宽连接和操作人员间歇性参与决策,可能会带来更大的出错风险。他说:" 不确定性是存在的,我担心在操作过程中出现故障,这可能会带来经济损失和对环境方面的破坏。尽管这项技术令人兴奋,他们还需要证明其可行性。"

相关报道:

https://spectrum.ieee.org/robotics/humanoids/meet-aquanaut-the-underwater-transformer

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