科考机器人极地考察揭秘

“科考机器人“如何考察极地

在我国结束的第24次南极科学考察活动中，出现了两位特殊“考察队员”的身影——“冰雪面移动机器人”和“低空飞行机器人”。这是我国在南极考察事业中首次运用智能机器人。为什么引进这两位特殊的“考察队员”？“考察队员”都做了哪些考察？特殊成员的引进能为极地考察带来什么？中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室副主任韩建达研究员对此给出了答案。

为何引进特殊“考察队员”？

“开展极地考察，首先面对的挑战是如何将考察物资、科考设备和重型装备通过破冰船安全运输至南极大陆中山站，再由重型雪地车队将内陆物资运输一千多公里至冰盖顶峰冰穹A点。”韩建达介绍，由于南极大陆被海冰紧紧包围起来，破冰船“雪龙号”也仅具备连续破除冰层厚度1.2米的能力。通常破冰船无法直接到达南极大陆，因此只能采取海冰卸货运输的方式。而在国际上，破冰船被困冰区，雪地车掉进冰缝，特别是直接造成人员伤亡的事故曾屡屡见诸报端。

开展极地科考面临的第二个问题是如何安全穿越冰裂隙区。目前普遍采用的方法是在重型车队之前，考察队员依靠经验，在可能出现危险的区域进行实地探察，亲身钻孔测量，而这存在着很大风险。

众所周知，极区环境恶劣，海冰潮汐缝、冰盖裂隙、高寒低氧、极端天气等，随时都可能威胁科考队员的生命；极区环境复杂，是冰盖、冰架、海冰、露岩、海洋、大气、极昼、极夜等交织在一起的原始环境系统，科考作业具有高成本、高危险性和地域局限性；极地是科学观测极度稀缺地区，技术装备手段匮乏；在南极1400万平方公里的冰盖表面，人类涉足的区域却只占极小的一部分。为此，更深层次的极地科学研究需要以高新技术为依托的观测能力和数据获取手段。

随着极地科考规模的发展和目标的提升，如何实现在海冰上的安全卸货运输，如何安全穿越冰盖裂隙区，如何在更宽广的时间、空间领域实现高效率的科学考察，已经成为迫切需要解决的技术难题。而极地探测机器人作为人的“代理”，成为解决这一技术难题的一种思路。

“考察队员”能干啥？

极地探测机器人是一个延伸了科学家的眼睛、腿脚、手臂的探测仪器。在极地冰雪面、水下、空中等领域进行漫游，集成科学探测仪器，代替科学家在极地区域恶劣的环境下工作（移动、观测、探测、采样、分析等），能够被科学家得心应手、随心所欲地操作，是一种极地科考的高技术装备。

在本次科学考察活动中，韩建达博士和另外3名成员以距中山站约5公里的“内陆队出发地”为基地开展了试验。因为在地处冰盖边缘，可以找到大多数的南极典型冰雪面地形，机器人可以充分地开展试验。

“冰雪面移动机器人”相当于陆上探路员

体重达300公斤的“冰雪面移动机器人”，外形看上去像一架带有升降桅杆的坦克，可自主跨越冰裂缝，翻越雪坡和雪丘，最大作业半径为25公里。它还是一位“大力士”，身上可搭载40公斤的重量，同时还可以拖拽100公斤的重量。南极之旅中，它搭载一个高精度的差分全球定位系统（DGPS）和一套常规气象观测站，进行科学考察。

“‘冰雪面移动机器人’就相当于一个陆上探路员，它能够开展海冰卸货运输路线探察、冰盖裂隙密集区前置探路、极端恶劣条件下科学考察等工作。”韩建达研究员用了一个简单的比喻。(www.xing528.com)

“低空飞行机器人”充当空中探路员的角色

看上去像一架小型飞机的“低空飞行机器人”则充当了空中探路员的角色。它体态轻盈，约有20公斤，力气也较小，只能搭载约5公斤的有效载荷。此次赴南极考察，这位“小蜻蜓”除考验自身素质外，还携带了一台观测海冰温度的红外辐射计和一架航拍照相机，用以开展海冰厚度观测等工作。

“使用机器人，能够降低极地科考的风险与成本，提高效率、覆盖范围与可达区域，能够对极区频发的时空小尺度天气系统以及海冰潮汐缝、冰盖裂隙、冰雪低温等提供一定的预测。”韩建达研究员表示，将我国机器人用于极地科考，开创了一个新的研究方向，能够为形成系列化、多功能化科考机器人奠定基础；而对于极地科考，它将提供一种智能化的高技术装备，为我国早日成为极地科考的强国奠定基础。

“考察队员”干得咋样？

这是中国机器人首次登陆南极开展实地实验研究，这次实验的主要目的是检验机器人自身的性能，同时验证两种类型机器人辅助科考的可行性，也就是对这两名“考察队员”进行一次“身体素质”的检查。“冰雪面移动机器人”主要进行了极地冰雪面上的机动、通过能力实验，对极地气候条件的适应能力实验，自主导航方法初步实验，任务载荷集成实验，以及模拟冰川移动测量实验。

而“低空飞行机器人”也进行了3个阶段的检查：首先，进行调试飞行器系统在实际极地环境中的使用状况，以及适应飞行环境的实验。其次，进行较远距离航迹自主跟踪飞行实验。第三，搭载皮温测量装置，按照选定的最优航线，进行实际测试图像照片和皮温测量设备的时间同步性能，以及数据的可用性实验。

“考察队员”何时实现应用？

极地蕴藏着巨大的科学资源。以南极为例，其面积约1400万平方公里，是中国陆地面积的1.45倍；南极冰雪储量占全球总储量的90%，是全球淡水总储量的80%，对全球气候变化具有重要影响；南极地区的矿产资源也极为丰富，煤炭、石油、天然气、铁矿等等都是南极富有的资源，对全球能源安全具有重要意义。对极地区域进行高效率、大范围的科学考察，被列为各大国首要的科学工程之一。中国作为一个崛起中的强国，在极地科考中发挥与其经济地位相称的作用，是中国应尽的责任与义务。为此，中国已经将极地科考列为中长期持续开展的重大科学工程之一。

在初试成功后，我国极地机器人何时能实现实际应用？“总体上讲，在整个国际范围内，极地机器人目前仍处于探索和实验阶段，尚未实现实际应用。”韩建达研究员介绍，2006年以前，我国极地探测机器人还是空白。

“对于机器人技术而言，极地还是个崭新的应用领域，还有诸多技术难题有待深入研究，包括面向长时间运行的能源产生技术、混合驱动技术，面向长距离运行的自主定位、导航、环境适应、行为产生技术，面向冬季严寒运行的温度控制技术，恶劣气候条件如风暴、降风吹雪等情况下的自主生存技术，水下、水面、冰雪面、空中等多领域、多机器人协同探测技术等等。”韩建达研究员表示，这些技术都有待于在后续的科研工作中逐步深入展开并不断取得突破。

陈　瑜