水面机器人：水面清洁新利器

日前，中国科学院合肥智能机械研究所（以下简称智能所）纳米材料与环境检测研究室研发出“风光互补”自主式水面机器人。研究室副主任余道洋告诉告诉《中国科学报》记者：“这款水面机器人的动力系统、自动控制、通讯数据传输以及智能决策等技术水平达到了国内领先。”

风光互补动力

目前，国内外水面机器人的主要用途有水采样及水质监测、水下地貌测绘和水文测量、水面垃圾清理、巡逻及救援等。

余道洋介绍，水面自动清洁机器人由水面漂浮物自动回收装置和水面机器人组成，主要应用于海洋、湖泊、河道、滩涂，景区内的湖泊、池塘的固体垃圾、浮萍等清理以及危险区域进行远程作业。相对于无人船，水面机器人的关键技术是动力系统、推进系统、自动控制和智能决策等。

已经面世的“领航者”号无人船处于国内民用水面机器人领先水平。该无人船融合船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统等技术，实现了自主导航、智能避障、远距离通信、视频实时传输和网络化监控等功能。

然而，续航动力是束缚水面机器人发展的一大技术难题。余道洋指出，现有的垃圾清理水面机器人多数都是小型船体，清理的垃圾有限，采用电池供电，动力不足。比如，全自动水面保洁船最多清理1立方米小型垃圾，最长巡航8小时。

纳米材料与环境检测研究室研发的水面机器人除了具备人工智能等功能外，首创风力和太阳能发电动力技术，动力来源于大容量电池、风力和太阳能发电混合电源系统，解决了水面机器人长时间持续巡航的动力问题。

“我们的水面机器人采用风光互补动力，基本上不需要充电即可连续巡航。在此基础上研发的垃圾清理无人船采用抓捕式垃圾清洁方式，各种水面漂浮物、蓝藻等均可以清理，实用性更强，使用更方便。”

水质检测采样

余道洋称，国内现有的水面机器人一般只能在线检测常规水质的五类参数指标，并且须把水样采集好后再到实验室去检测，很难全面检测水中有机物、营养盐和重金属，因此无法实现水中重金属等重要污染物的原位和实时检测。

“另外，现有技术一般只能检测水域的浅层水，无法检测水域中不同深度层面的水质立体断面污染分布状况。”纳米材料与环境检测研究室以水面机器人为平台，结合研制的新型小型化重金属检测仪器、不同深度水质自动采样装置以及水质原位在线检测装置，实现了水质立体断面的原位和实时检测与污染状态分析。

“我们利用水面机器人平台，搭建多种自主研制的水质监测仪器，小型化后集成到水面机器人平台之中，形成水质监测移动实验室，可以取代目前常用的水质固定监测站或者监测浮标，实现任意水域、全天候、原位和低成本水质监测与预警，大幅度缩减建设监测站和浮标的费用。” 纳米材料与环境检测研究室还采用视觉和雷达双模目标识别方法，在此基础上自主开发了水面目标的路径优化和自主避障等智能算法，攻克了水面机器人的全局路径规划和局部实时避障难题。另外，融合了多模导航系统、三维电子罗盘、驱动器自动调速控制技术、高带宽无线数据实时传输技术以及人工智能等技术，解决了水面目标自动控制问题。

清理水面油污

2010年，位于墨西哥湾的一处钻井平台发生爆炸并引发大火，沉没的钻井平台每天漏油达到5000桶，并且海上浮油面积以每日9900平方公里逐渐扩张，造成的经济损失达数千亿美元。

同年，位于我国辽宁省大连新港附近的原油罐区输油管道发生爆炸，造成原油大量泄漏并引起火灾。

如今，在国内各港口、码头和溢油应急中心，使用吸油拖栏、静态收油系统、收油网等溢油回收设备已相当普遍。

船用溢油回收系统是当前国内外自动化程度和回收效率较高的回收设备，但国内生产的船用溢油回收系统性能一般，而国外生产的船用溢油回收系统则有造价高、船体大、系统结构复杂、操作专业等问题。

余道洋指出，现有的物理吸附原理的溢油回收方法相对简单，但是普遍受制于回收材料的吸附效率低、一次性使用和自动化程度低等缺陷而难以推广。

为此，纳米材料与环境检测研究室解决了两个关键问题：一是研制高效、低成本和可重复使用的有机硅修饰的超疏水和亲油轻质材料，解决了溢油吸附材料问题；二是研制出水面油污清洁机器人，自动识别溢油水域、自主巡航、自动清洁和回收溢油，提高效率、节约成本。（记者 沈春蕾）