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這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

[2019-08-12 16:00:24] 來源: 編輯: 點擊量:
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導讀:Aquanaut代表着一種全新設計,其創造者是一家名為Houston Mechatronics(簡稱HMI)的初創企業,該公司希望借此徹底颠覆海底機器人技術。

科技行者 8月12日 北京消息:  

這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

▲ 圖:Aquanaut機器人在美國宇航局(NASA)的中性實驗室中接受水下漂浮測試。

在距我不遠處,兩名宇航員正在練習太空行走,我耳中聽到的隻有自己的呼吸聲,以及耳機當中偶爾傳來的控制中心播報,剩下的,就是一片寂靜以及失重的世界。但這裡并不是黑暗的太空,而是休斯頓宇航中心内一個巨大的深水遊泳池。NASA利用這個環境訓練宇航員在零重力環境下的适應能力。我得承認,觀看宇航員的訓練課程确實很有吸引力;但我現在有自己的任務——我緊盯着Aquanaut,同在泳池中接受測試的一台亮橙色機器人。

Aquanaut像一艘微型潛艇般順暢地滑過水面。乍看之下,它似乎與其它無人駕駛型水下交通工具(unmanned underwater vehicles,簡稱UUV)沒什麼不同。這類設備的配置用于收集數據的傳感器以及用于移動的推進器。但Aquanaut要更先進一些,它能夠像電影《變形金剛》中的角色那樣,從船體頂部伸出兩條向兩側展開的巨大機械臂,一個裝滿傳感器的楔形頭部不斷旋轉,指引着機械臂在幾秒鐘之内完成變形。現在,原本線條圓潤的潛艇變成了台半人形機器,并準備開始自己的工作。 

Aquanaut代表着一種全新設計,其創造者是一家名為Houston Mechatronics(簡稱HMI)的初創企業,該公司希望借此徹底颠覆海底機器人技術。傳統的UUV一般分為兩類:用于遠程測量任務的魚雷式自由潛水器,以及必須配合支援船隻并可進行水下操縱的方形遠程操作機器。HMI公司希望将這兩種模式結合起來,打造出一台變形機器人。這是個大膽的想法,以往從沒人敢于嘗試。

HMI公司的工程師們經常開玩笑說,打造變形金剛就是他們為之努力的終身目标之一,而且他們也堅信自己有能力做到。Aquanaut主要用于維修海底石油與天然氣裝置。擁有并運營這類基礎設施的企業以往需要投入大量資金對設施進行檢查與維護。然而,整個過程一直依賴于幾十年來基本沒什麼變化的機器人技術,畢竟這種極端環境也隻有機器人能夠勝任。不過對于HMI而言,這并不是問題:在全部75名員工當中,有超過24名曾經為NASA效力。因此應對極端環境正是他們的拿手好戲。

HMI公司聯合創始人兼首席技術官Nic Radford在休斯頓的NASA約翰遜航天中心工作了14年,且緻力于推動先進機器人項目。他表示,“可以肯定的是,進入太空當然要比進入水下更加困難。但太空環境相對單純,而水下環境則高度動态。雖然還無法肯定,但我初步認為機器人在水下工作時,其難度可能達到太空環境中的10倍甚至50倍。

Aquanaut是一款獨一無二的無人水下航行器,其能夠從專為長距離巡航設計的靈活潛艇,快速變形為能夠執行複雜操作任務的半人形機器人。以下是具體變形過程:

 這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

1.Aquanaut以潛艇模式前往海底工作場所。

2.在到達現場之後,機器人的船體頂部會上升,露出兩個巨大的機械臂以及楔形的頭部裝置。

3.安裝有立體攝像頭、3D傳感器以及聲納系統的頭部會旋轉到位。

4.機器人随後展開其強有力的機械臂,其上配備有力傳感器以及爪式夾持器。

自從2014年創立HMI公司以來,Radford與另外兩位聯合創始人——Matt Ondler和Reg Berka——已經籌集到超過2300萬美元的風險投資。如今,經過無數次的設計疊代,Aquanaut終于拼裝了起來。但在進入海洋之前,機器人首先得在更為可控的實驗室條件下證明自己,也就是在NASA的水池裡施展一番。

NASA的中性浮力實驗室(NBL)容納着2350萬升水,最大深度為12米,足以容納大部分完整的國際空間站組件模型,且可提供充足的空間。宇航員可以在NBL當中體驗近失重狀态下的太空行走。就在今年3月下旬的這個清晨,HMI如約來到設施北側,開始對Aquanaut進行測試。

在水深十米處,我背着兩個高碳酸鹽罐,盡可能以穩定的姿态跟蹤機器人在水中的行動。Aquanaut剛剛來到這裡八天,但整個測試進展順利。唯一的小問題就是有時候機械臂的遠程操作發生故障,不過HMI團隊對此并不擔心;他們知道還有很多工作要做,而機器人明天一早還會在這裡待着他們。

Radford告訴我,他很喜歡運營初創企業那種刺激的感覺,這種節奏跟NASA這類大型政府機構按部就班的運營思路形成了鮮明的對比。在加入HMI公司之前,他曾在NASA Robonaut項目當中擔任過五年的總工程師職務,負責開發一台用于國際空間站的人形機器人;在此之後,他又領導了Valkyrie項目的開發,這是一套更加複雜的人形機器平台。在HMI的個人辦公室裡,他擺上了Aquanaut原型設計的小型3D打印模型,牆上則畫着Valkyrie與漫威鋼鐵俠的塗鴉形象。

他表示,“我們在NASA培養起的技能類型,主要是将機器人置于偏遠的位置,讓它們在嚴峻的環境下執行實用性工作。而由此帶來的成果,正好适合海洋當中的實際需求。

我們聽說以及看到過的海上石油與天然氣作業任務,大部分是通過海上平台完成的。人們從這裡執行水下鑽井作業。雖然平台是工作當中最顯眼的部分,但海底也部署有大量複雜的基礎設施。

海底的井口處設有一個金屬蓋,負責将碳氫化合物導向海面。這套複雜的結構包含管道、閥門、歧管以及衆多儀表,很多從業者将其戲稱為“聖誕樹”。有些井體甚至有四層樓那麼高。

這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

▲ 圖為Aquatic機器人。在潛艇模式下,Aquanut能夠調查并檢測部署在海底的石油與天然氣設備。而在人形模式下,機器人則能夠利用其機械臂抓住專用工具并操作控制碳氫化合物流向海面的閥門。

為了對井口進行日常維護,或者改變開采物的流出,我們必須轉動“樹”上的某些閥門。但由于井體往往深藏海中——有時候深度達300米以上——潛水員通常無法前往,因此唯一的辦法就是使用機器人載具。

幾十年以來,在深海井上工作的常規程序就是向井場發送遠程操作的水下航行器(ROV)。然而,我們不可能單獨發送ROV,同時還得配合一條滿載經驗豐富工作人員的大型支援船,将其作為ROV的行動基地。以往的ROV幾乎或者完全沒有自主能力,其隻能接受海面上的指揮與控制。這無疑會極大增加設備的運行成本,典型的工作流程每天會帶來數萬甚至數十萬美元開銷。

HMI公司希望消除傳統方法中的種種弊端。Aquanaut機器人不需要系繩或者支援船,其能夠以潛艇模式前往深海目的地,在這裡變化為人形,而後使用強大的機械臂完成任務。每個機械臂都配有扭矩傳感器,并憑借着八個運動軸實現類似于人類手臂的運動能力。Aquanaut上的機械臂能夠轉動海底閥門的夾具,甚至能夠使用内部負載艙中攜帶的專用維護工具。

Aquanaut能夠自動執行任務,人工操作員隻負責監督但不必直接控制其具體行動。一旦工作完成,機器人還能自動返回基地。Radfrod表示,這種方式使得Aquanaut擁有更快的部署速度,運營成本也遠遠低于現有ROV。他估計,其成本可能僅相當于傳統解決方案價格的一半。

而這台機器人推出的時間也可謂恰到好處。根據海底技術先驅Chuck Richards(目前擔任華盛頓特區海洋技術協會ROV委員會主席)表示,過去幾年石油價格一路走低,利潤的下滑導緻石油公司之間的競争态勢進一步加劇。這意味着誰掌握了新技術,誰才能在激烈的對抗中生存下去。Richards在休斯頓創辦的Richards & Associates公司就在為數十家海底維護企業提供設備,其中也包括HMI。他解釋稱,盡管整個行業對于像Aquanaut這樣的創新成果往往保持謹慎态度,但看到這種新型機器人的強大能力仍然令人感到相當振奮。

Richards解釋稱,上世紀七十年代商用ROV技術的發展成熟使其迅速被行業所接受。而且剛起步時,相關産品同樣比較粗糙。他回憶道,“不過随着ROV行業的進步,石油企業對其表現出了極大的耐心與肯定。在我看來,他們沒有理由拒絕自動化程度更高的新型載具。

這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

▲ 圖為智能潛艇: 來自HMI公司的工程師們正在檢查Aquanaut的頭部(機器人的各主要傳感器都集中在此處),為機器人的水下測試進行準備(上圖)。傳統的無人水下航行器需要由人工操作員進行實時操縱,但Aquanaut則憑借着傳感器與計算系統表現出更強大的自主能力,可以在操作員的監督之下執行任務,而無需直接加以控制(下圖)。

相對于傳統ROV,Aquanaut的主要優勢在于其操作不受限制。但是,HMI必須克服幾個關鍵問題才能真正實現這一功能。首先,如何在沒有大型支援船的前提下将機器人送至現場位置。雖然Aquanaut能夠通過相對較小的船隻完成部署,甚至由直升機運送至目标地點,但該機器人也能夠在潛艇模式下行駛200多公裡。在到達之後,機器人就會變形為ROV模式。其船體内部藏有額外的微調推進器,能夠以靈活的方式調整自身姿态。 

變形本身又是另一項重大挑戰,同時也在團隊内部引發了激烈争論。Aquanaut首席工程師Sandeep Yayathi(曾任NASA月球探測器項目動力負責人)表示,“我們曾經爆發熱烈的沖突,希望證明并不一定非得采用變形這種設計。”然而,該小組最終認定變形的優勢将超過由此帶來的複雜性,而這一意見也最終讓水下“變形金剛”成為現實。

為了讓Aquanaut能夠大幅度改變自身形态,該機器人配備有四個定制型線性執行器,能夠将身體的上半部與下半部彼此分離開來。此外,機器人還在防水外殼上安裝有額外的定制電機,用于驅動機械臂及頭部。在電源方面,Aquanaut使用類似于電動汽車中的锂離子電池。目前,其完全變形隻需要30秒時間。

但這一切挑戰,也許都不像設計Aquanaut的控制系統那麼困難。傳統的ROV具有多台實時攝像機進行信息進行饋送,而人類操作員則實時利用操縱杆控制載具行動。如今沒有系繩,與Aquanaut進行通信的唯一方法就是通過聲學調制解調器。這種成熟的技術能夠覆蓋水下幾十公裡的範圍,但卻具有高延遲以及極低的傳輸帶寬的問題——每秒隻能傳輸幾KB數據。HMI公司計劃依靠小型無人水面艦艇作為機器人與通信衛星之間的中繼器,如此一來Aquanaut将能夠在世界任何位置接受控制。然而,過多的傳輸限制使得人類無法直接對其進行操作,因此Aquanaut需要盡可能多地提升自主行動能力。

Yayathi解釋道,“自主能力非常重要,我們需要有信心将衆多任務交給機器人自行解決。

HMI公司計劃保持對Aquanaut的高級監督控制,同時将大部分低級決策委托給機器人上強大的機載計算機。這些計算機将負責運行機器人操作系統——簡稱ROS,這是一種适用于研究型及商業型機器人的流行軟件平台。利用頭部傳感器套件,包括立體攝像頭、結構光傳感器以及聲納系統,機器人将能夠為周邊環境構建起詳盡的3D渲染結果。然而,其并不會将完整的3D地圖發送給操作員,而是僅傳回極小且經過高度壓縮的特定部分;在此之後,操作員能夠将其與Aquanaut正在觀看的現有結構模型相匹配。

操作員随後發送一些比較簡單的命令,例如“将處于某些坐标處的閥門順時針旋轉90度。”機器人将自動決定如何抓住閥門以及施加怎樣的力道,并在任務完成後發回确認提示。總體來講,操作員仍然負責指揮機器人的行動,但不再依靠直接的手動操縱,也不再需要極度占用帶寬的實時視頻輸入。

HMI公司的長期目标是将Aquanaut轉化為一種即服務方案。利用部署在北海或者加利福尼亞海岸等地的小型機器人隊列,石油與天然氣公司隻需要提供需要完成的任務細節,HMI方面就會安排最近的機器人前往處理。Radford表示,操作傳統的單一ROV大約需要7個人,但“我們認為我們可以把問題掉轉過來。我們相信一位操作員能夠控制7台Aquanaut。

休斯頓大學機械工程學教授、國際海底工程研究所所長Matthew A. Franchek表示,由于采用低帶寬連接且操作員隻是間歇性介入操作循環,Aquanaut可能存在更大的出錯風險。他表示,“其中存在不确定性。我擔心操作當中會出現故障,并引發财務與環境方面的不良後果。雖然這項技術令人興奮,但其還需要證明自己确實能夠發揮預期作用。

這台“水下變形金剛”,正接受NASA測試,面向高難度海底工作

▲ 圖:為了在受控環境下測試Aquanaut,HMI公司将這台機器人帶到了世界上最大的室内遊泳池之一——NASA的中立浮力實驗室。宇航員在這裡接受零策略環境下的模拟訓練,其規模足以容納國際空間站各主要模塊的全尺寸模型(見圖中背景)。

在對Aquanaut進行了三天的測試之後,開發團隊在HMI辦公室後面的停車場舉行了一場慶祝儀式。大家在這裡吃了一頓香辣小龍蝦,還配上來自紐約布魯克林一家啤酒廠的Robot Fish IPA罐裝啤酒。在NASA,關于機器人技術的故事就像一起喝酒的邀請般傳得飛快,而我也學會了如何從小龍蝦頭裡吸出美味的汁水。

測試進展順利帶來的解脫感,很快轉變為對于未來的興奮之情。Radford解釋稱,當前版本的Aquanaut主要是一套演示與測試平台,專為相對較淺的水體環境設計——最大操作深度為300米。雖然這處版本已經能夠在世界各地進行商業運營,但HMI公司已經開始設計一款能夠行駛數百公裡并下潛至3000米深度的大尺寸版本,相信其将為墨西哥灣等地區帶來新的福音。

當然,商業運營也并不是HMI公司為Aquanaut設定的唯一應用方向。Radford表示不方便透露他們與美國國防部開展潛在合作的相關消息,但在2018年末,國防高級研究計劃局(DARPA)曾經公布一個名為Angler的計劃,打算“開發海底自主系統,能夠自行導航并以物理形式操作海底的物體。”DARPA的聲明與Aquanaut擁有驚人的交集,雙方都提到将采用一艘帶有兩支機械臂的流線型機器人潛艇。看起來,這對HMI公司來說是個大大的好消息。

派對仍在繼續,但人們已經陸續回到自己的辦公桌前,打算讓Aquanaut為下一輪NBL測試做好準備。其首次開放水域演示可能會在今年8月于羅德島舉行的海軍技術演習中進行。對于這位今年3月才剛剛誕生的機器人明星而言,它的日程安排可謂相當緊湊,但Radford堅信自己的團隊絕對應付得了。

他總結道,“從事這類大膽的工作非常有趣。我們認為絕對存在一種更好且更具成本效益的水下工作方式。我們打算證明自己的判斷。

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