歷經(jīng)30年，仍未解決通訊難題，水下機器人是虛假繁榮嗎？

不像在陸地上通訊網(wǎng)絡(luò )四通八達，目前水下信號傳輸基本還是空白。盡管現在也有人在做水下通訊網(wǎng)絡(luò )的搭建，但總的來(lái)講難度很大，進(jìn)展也不順暢。

近年來(lái)，我國機器人產(chǎn)業(yè)一片欣欣向榮。

2017年，預計我國機器人市場(chǎng)規模將達到62.8億美元，2012-2017年的平均增長(cháng)率達到28%。其中，工業(yè)機器人42.2億美元，服務(wù)機器人13.2億美元，特種機器人7.4億美元。

不過(guò)，在這些漂亮的數據背后，隱藏的卻是很多難以言說(shuō)的缺陷和不足，有些甚至已經(jīng)逐漸成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的心腹大患。

對此，中國工程院院士封錫盛有著(zhù)清醒的認識。

封錫盛院士我國最早從事水下機器人研究的專(zhuān)家之一，曾經(jīng)擔任我國第一臺有纜遙控水下機器人“海人一號”電控系統負責人、我國第一臺無(wú)纜自治水下機器人“探索者號”的總設計師、“CR-01”6000米自治水下機器人項目副總設計師、“CR-01”自治水下機器人工程化項目的總設計師和“CR-02”6000米自治水下機器人總設計師。

關(guān)鍵零部件、材料技術(shù)、人機交互等是最大短板

關(guān)于機器人產(chǎn)業(yè)的分類(lèi)，國內一直沒(méi)有統一的說(shuō)法。目前主流的觀(guān)點(diǎn)認為，以其應用的產(chǎn)業(yè)為區分標準，機器人可以分為工業(yè)機器人、服務(wù)機器人和特種機器人。

在眾多的分類(lèi)中，大多都把水下機器人歸到特種機器人的分類(lèi)中。本文亦循此法。

從整體情況來(lái)看，我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還是比較快的，其中尤其是工業(yè)機器人領(lǐng)域。目前我國工業(yè)機器人約占全球市場(chǎng)份額30%以上，是全球第一大工業(yè)機器人應用市場(chǎng)。這主要得益于我國的工業(yè)化速度和經(jīng)濟發(fā)展帶來(lái)的制造業(yè)蓬勃發(fā)展和對工業(yè)機器人需求的增加，密切相關(guān)。未來(lái)，我國工業(yè)機器人的市場(chǎng)前景還是非常廣闊的。

可是，畢竟我我國在這一領(lǐng)域的發(fā)展時(shí)間相對較短，所以我們的基礎還是比較薄弱，尤其是國外發(fā)達國家如德國、美國、日本等相比，優(yōu)勢并不明顯。

“在關(guān)鍵零部件（如減速器、伺服電機、控制器等）、傳感器、材料技術(shù)、人機交互等方面，我們與國外的差距比較大。在今后的發(fā)展中，以上領(lǐng)域也應該是我們要著(zhù)重發(fā)力的。”封錫盛院士說(shuō)道。

在全球工業(yè)機器人的成本構成中，35％左右是減速器，20％左右是伺服電機，15％左右是控制器，機械加工本體只占15％左右，其他的部分主要就是應用。

僅從成本占比最大的減速器來(lái)看，世界75％的精密減速器市場(chǎng)被日本的哈默納科和納博特斯克占領(lǐng)，其中納博特斯克生產(chǎn)RV減速器，約占60％的份額，哈默納科生產(chǎn)諧波減速器，約占15％的份額。

搭建水下通訊傳輸網(wǎng)絡(luò )，是整個(gè)行業(yè)的最大難題

水下環(huán)境和水上的環(huán)境是大不相同的。

陸地上有互聯(lián)網(wǎng)、GPS等等，通訊十分便利，信號傳輸也非常的通暢。但是這些因素，在水下都完全不具備。目前最為便捷的電磁波通訊，在水下的折射和傳輸衰減損耗非常之大。

一、水平前進(jìn)的地表波折射圖

圖中所示，設E1，H1為空氣中電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量，E2、H2為水中電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量。

二、垂直極化波折射圖

圖中所示，E1、H1表示入射波的電磁場(chǎng)強度，E2、H2表示反射波的電磁場(chǎng)強度,E3、H3表示折射波電磁場(chǎng)強度。

三、水平極化波折射圖

由上可知，由于電磁波在水下的折射和損耗，所以在目前大多數水下機器人選擇的通訊手段就是靠聲波。

不過(guò)，聲波也同樣有著(zhù)明顯的弊端。

“聲波的傳播速度慢得多，在水下也就每秒1500米左右，遠遠趕不上接近于光速的電磁波。”

因為這個(gè)原因，所以水下機器人在水下的通訊就成了第一大難題。不像在陸地上很容易很方便就可以構建網(wǎng)絡(luò )，而且帶寬很大，目前水下的傳輸網(wǎng)絡(luò )都還是個(gè)空白。

盡管現在也有人在做水下通訊網(wǎng)絡(luò )的搭建，但總的來(lái)講，難度很大，進(jìn)展也不順暢。這種情況之下，要想研究水下世界，或是在水下開(kāi)展工作，怎么辦呢？

有兩個(gè)辦法。

“一個(gè)辦法是給機器人裝一根電纜線(xiàn)。有了這根線(xiàn)纜，就可以實(shí)現水下的通信、視頻傳輸。但是線(xiàn)纜長(cháng)度是最大的障礙，畢竟不可能無(wú)限長(cháng)，同時(shí)線(xiàn)纜越長(cháng)也會(huì )越影響機器人的機動(dòng)性和靈活性。

“所以，這種有線(xiàn)的機器人只適合在有限、固定的范圍內使用。這種，我們稱(chēng)之為遙控型，就是通過(guò)電纜來(lái)遙控的水下機器人。”

另外一種就是無(wú)線(xiàn)的自主型水下機器人，即去掉線(xiàn)纜，也不依賴(lài)于通信。顯然，這樣做的好處是可以讓機器人走得更遠、更自由。

“因為這種是自主型水下機器人，它在作業(yè)過(guò)程中要完全依賴(lài)于機載的智能設備，所以它的完美程度幾乎完全需要依靠其智能化水平的高低。

“當然，目前各種人工智能技術(shù)都在進(jìn)步，而每一個(gè)技術(shù)總是能找到應用空間。因此，盡管目前自主水下機器人的自主能力不高，但它仍然有著(zhù)自己的用武之地，而且將來(lái)的技術(shù)和自主化、智能化水平也會(huì )逐漸提高，屆時(shí)就會(huì )在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用。”

比如像在大規模的海洋探測和搜救方面，水下機器人的作用將會(huì )變得越來(lái)越大。

一個(gè)實(shí)際的例子就是，馬航370失事之后的殘骸搜索。這其中，美國的藍鰭金槍魚(yú)（美國最先進(jìn)的軍用水下機器人）因為參與了搜救的行動(dòng)而被公眾所熟知。它就是一款自主的水下機器人。

目前，在水下主要靠聲波。其他的像電磁波、超長(cháng)波也偶爾會(huì )用到，但是也都是在有限的信道范圍之內，傳送的波特率非常之低。

“另外，就是會(huì )用到激光，主要是藍綠激光。它可以穿透一定的水深，但是能達到的深度也就只有80-100米這個(gè)范圍，再深就不行了。

“所以綜合來(lái)看，目前水下機器人的通信還是主要靠聲波來(lái)完成，靠各種聲納設備來(lái)做信號傳輸。”

加快技術(shù)落地，需要院校、公司和社會(huì )一起努力

“這個(gè)問(wèn)題比較大，牽涉到了很多方面的事情，這也是我們國家一個(gè)比較大的課題和難題：技術(shù)的成果轉化率始終不高。

“我們不可能做到所有的科研成果全部都轉化，無(wú)論是國內，還是國外。

“這個(gè)有各個(gè)方面的原因。首先我們要看技術(shù)成果本身是不是達到了可以轉化的程度，其次是技術(shù)轉化也需要有一個(gè)中間的推動(dòng)介質(zhì)。”

一個(gè)在實(shí)驗室里完成的技術(shù)成果，并不等同于商業(yè)化的產(chǎn)品。從成果轉化為產(chǎn)品，中間需要有人力物力財力的投入、市場(chǎng)化技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)，而這些目前正是國內水下機器人產(chǎn)業(yè)的軟肋和薄弱環(huán)節。

“機器人這個(gè)產(chǎn)業(yè)在我國還算是個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，而我們的很多企業(yè)都還很年輕，技術(shù)基礎和人才準備不足，對技術(shù)成果的接受和轉化方面還非常吃力。”

這就需要一定的時(shí)間，并要求產(chǎn)學(xué)研各方面一起努力，消除各種不利的因素。

作為科研單位，要在課題選擇上多向市場(chǎng)靠攏，充分考慮將來(lái)技術(shù)成果的市場(chǎng)化前景，跟市場(chǎng)銜接；我們的企業(yè)也要不斷壯大自己的技術(shù)實(shí)力，以增強接受技術(shù)并轉化成產(chǎn)品的能力。

最后一個(gè)重要的方面就是，在從實(shí)驗室技術(shù)成果到商業(yè)化產(chǎn)品的過(guò)程中，需要社會(huì )的大力支持，如金融、投資機構、政策等方方面面。

“現在有越來(lái)越多的金融和投資機構在關(guān)注機器人領(lǐng)域，我覺(jué)得是一個(gè)很可喜的現象。”

未來(lái)，家庭娛樂(lè )將是水下機器人下一個(gè)發(fā)力方向

2016年，我國特種機器人市場(chǎng)規模達到6.3億美元，增速達到16.7%。2017年，預計特種機器人市場(chǎng)規模為7.4億美元。到2020年，特種機器人的國內市場(chǎng)需求有望達到12.4億美元。

從大的方面來(lái)說(shuō)，軍事是一個(gè)很典型的領(lǐng)域，這個(gè)在國外也是用的比較多的一個(gè)領(lǐng)域。而民用的水下機器人大體上有以下幾個(gè)領(lǐng)域：海洋能源，海洋石油、天然氣的探測開(kāi)發(fā)，這也是水下機器人得以廣泛使用的重要行業(yè)；

其他的像海底通訊，海底電纜、管線(xiàn)的鋪設和維修，還有海上救助、沉物打撈等等。另外就是海洋科學(xué)研究方面。

以上就是水下機器人目前最為主要的應用領(lǐng)域。

近年來(lái)，家庭娛樂(lè )也成為了水下機器人的一個(gè)越來(lái)越重要的應用方向。隨著(zhù)人們生活水平提高和對生活品質(zhì)的追求，對旅游尤其是水下世界的探索會(huì )越來(lái)越多，而水下機器人可以幫人們擴大水下視野，又能錄制生動(dòng)有趣的水下視頻，從而滿(mǎn)足人們的娛樂(lè )需求。

因此，這也給水下機器人提供了越來(lái)越大的市場(chǎng)空間，前景值得期待。

最后：

目前我國的機器人產(chǎn)業(yè)還是一個(gè)自由散漫的狀態(tài)，誰(shuí)開(kāi)發(fā)了一個(gè)產(chǎn)品，各家都有自己的一套標準，各自為政的局面。

“這種狀態(tài)是不對的，也不利于整體行業(yè)的健康發(fā)展。

“我個(gè)人認為，出臺一套統一的標準和相關(guān)的法律法規政策作為保障，對我國的機器人產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，非常必要。”封院士最后總結道。

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