深海探矿机器人现状与发展趋势*

王荣耀，高宇清，臧 龙，张 伟

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.中国石油大学(华东)， 山东 青岛市 266580)

深海探矿机器人现状与发展趋势*

王荣耀1,2，高宇清1，臧 龙1，张 伟1

(1.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012；2.中国石油大学(华东)， 山东 青岛市 266580)

近年来，水下机器人技术快速发展，在深海矿产资源勘探领域得到了广泛应用。针对深海探矿机器人的发展历程和应用现状进行了综合评述，基于部分代表性产品从多个方面对深海探矿机器人的发展趋势进行了系统的分析，提出了我国深海探矿装备研究与开发的具体方向。

海底矿产资源；深海勘探；水下机器人

深海蕴藏着丰富的矿产资源，具有商业开采潜力的海洋固体矿产资源主要有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等，由于陆地固体矿产资源的日益枯竭，深海底固体矿产资源的开发已成为世界发达国家和新兴国家的竞争热点。

近年来，水下机器人技术快速发展，并在深海底矿产资源勘探领域得到广泛应用。深海底矿产资源勘探机器人按其作业性质主要可大致分为探矿潜水器以及坐底探矿机器人两类。本文就上述两类深海探矿机器人的研究开发状况及发展趋势进行综合评述。

1 国内外现状

1.1 探矿潜水器

1.2.1 有缆遥控潜水器(ROV)

遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle，简称ROV )，也称为有缆水下机器人，是一种通过ROV缆进行供电和控制的水下机器人。ROV的研制始于20世纪50年代，经过多年的发展，当前国际上ROV的型号已经达到270种以上[1]。美国、英国、法国、德国、俄罗斯、日本等国处于ROV技术研究的领先地位。日本海洋科技中心研制的KAIKO 号是世界上第一台全海深工作ROV，后来日本海洋科技中心在原系统的基础上又开发了一套KAIKO 7000，潜深7000 m。美国伍兹霍尔海洋研究所2007年成功开发了Nereus号混合型水下机器人(HROV)，最大工作水深为11000 m，具有AUV 和ROV两种工作模式。

我国先后成功研制了3500 m级ROV “海龙号II”以及4500 m级ROV“海马号”(见图1)。“海龙号II”主要用于3500 m深度以内，海底热液硫化物矿等大洋海底矿区的调查取样工作。“海马号”ROV主要用于南海北部陆坡水合物资源调查、冷泉生态环境调查以及富钴结壳资源探查任务。

图1 “海马号”ROV

1.2.2 无缆自治潜水器(AUV)

自主水下机器人 (Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)，也称无缆自治潜水器，是依靠自身的自治能力进行作业的水下机器人。在过去的十几年中，随着技术的不断进步和需求的日益增加，用于海底矿产资源调查的自主水下机器人不断问世。1992年，美国伍兹霍尔海洋研究所研制成功了大深度自治潜水器ABE，该潜水器2007年为我国科学家首次在西南印度洋脊发现了海底热液活动区，并对喷口进行了精确定位。为了提高海洋调查能力，美国伍兹霍尔海洋研究所又研制了ABE的替代品sentry AUV。日本三井造船与东京大学联合开发了r2D4号AUV，潜深4000 m，用于洋中脊海底热液活动的调查工作。

“潜龙一号”和“潜龙二号”(见图2)是我国自主研发的用于深海资源勘察的实用化深海装备。“潜龙一号”可完成海底地形地貌探测、底质识别、海底水文参数测量和深海多金属结核丰度调查等任务。“潜龙二号”是“潜龙一号”的升级版，集成了热液异常探测、地形地貌探测、海底照相和磁力探测等技术手段，主要用于深海多金属硫化物等深海底矿产资源的调查作业。

图2 “潜龙二号”自主水下机器人

1.2.3 载人潜水器(HOV)

载人潜水器(Human Occupied Vehicle，简称HOV)，是具有水下观察和作业能力的载人潜水装置。从1959 年第一艘载人潜水器“潜碟”(Diving Saucer)下水至今，载人潜水器已经走过了50 多年的历程[2]。具有代表性的大深度载人潜水器有美国的ALVIN号、前苏联的MIR I号和MIR II号[3-4]、法国的Nautile号[5]、日本的SHINKAI 6500号[6]，以及中国的“蛟龙”号[7]。

美国的ALVIN号建造于1964 年， 2012 年大规模改造后，设计工作深度达6500 m。MIR I号和MIR II号是由苏联和芬兰于1987年联合研制，这两艘潜水器在太平洋、印度洋、大西洋和北极海底进行了上千次的科学考察，包括对海底热液硫化物矿床和深海生物调查取样。另外一艘同类深海载人潜水器是法国于1985年研制的Nautile号，迄今已下潜过1000余次，下潜调查项目涵盖深海多金属结核矿区和深海海底生态系统等。SHINKAI 6500号建造于1989 年，空气中重26 t，下潜的次数已经超过1400 次。

“蛟龙”号载人潜水器(见图3)是一艘由我国自主设计和集成的载人潜水器，设计最大下潜深度为7000 m级，2012年7月下潜7062 m，创造了世界同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录。“蛟龙号”具备深海探矿功能，可定点获取深海多金属结核样品，通过摄像和照相对深海多金属结核的覆盖率进行评价；可对多金属硫化物热液喷口进行温度测量，采集喷口周围的水样等；可利用潜钻进行钻芯取样作业，测量钴结壳矿床的覆盖率和厚度等。

图3 “蛟龙号”载人深潜器

1.2 坐底式探矿机器人

1.2.4 海底岩芯取样钻机

海底岩芯取样钻机是一种钻探系统完全工作于海底的钻探设备，是深海底固体矿产资源勘过程中不可或缺的重要技术装备[8]。世界上第一代海底钻机出现在20世纪50年代以后，目前已发展至第三代海底钻机，典型产品包括澳大利亚的PROD[9]，美国的A-BMS，ACS和ROVDrill[10]，加拿大的CRD100以及德国的MeBo[11]等，最大钻深已经达到200 m。

澳大利亚BENTHIC公司研制的多功能海底钻探与岩土测试系统PROD，具有绳索取芯和有缆原位测试的双重功能，拥有三支大型支腿，可为钻机提供较大的支撑面积以及在海底不平时调整钻机的姿态。美国Williamson&Associates公司研制的ACS和A-BMS海底钻机，最大适水深度4000 m，以海域天然气水合物勘探为首要目标，配备了保压取芯工具。加拿大CELLULA公司研制的CRD100是针对深海地质调查、矿产资源和天然气水合物勘探而开发的新型多功能海底钻机，最大适水深度3000 m，裸孔钻进127 m，采用绳索取芯方式可进行65 m连续取芯，可开展120 m实时静力触探测试。美国HELIX CANYON OFFSHORE公司研发的ROVDrill是一种结合了ROV技术的新型海底钻机系统，MK-2和MK-3是两ROVDrill系列中种较为成熟的产品，具备钻探取芯和原位测试功能。德国MARUM公司主持研制的MeBo200海底钻机(见图4)，钻探深度达到200 m， 具备保压取芯功能，是德国天然气水合物的主要调查装备之一。

图4 德国MeBo200海底钻机

国内长沙矿山研究院有限责任公司率先研制了取芯长度0.5，1，1.5，3，5 m和20 m等深海岩芯取样钻机系列。0.5，1，1.5 m和3 m系列钻机用于我国深海富钴结壳资源的调查取样，5 m和20 m系列钻机用于深海多金属硫化物资源的调查取样(见图5)。钻机全部列装我国科学考察船，完成了多座海底矿山的普查勘探任务，累计钻取岩芯300余个，为我国海底矿区的申请和资源评价作出了重要贡献

图5 20 m岩芯取样钻机

由湖南科技大学、广州海洋地质调查局和中国科学院海洋研究所共同承担研制的海底60 m多用途钻机系统，作业水深3500 m，钻深能力为60 m，具备回转钻进取硬岩岩芯，压入式取沉积物及海底多参量原位CPT探测等多种取芯、探测功能。

1.2.5 海底规模取样装置

海底规模取样装置是工作于矿区海底，用于矿床特征原位测量以及获取规模矿石样品的装置。2006年，鹦鹉螺矿业通过在一个ROV上加装旋轮式切削刀盘、泵和储料仓等装置(见图6)，在海底进行了多金属硫化物矿的原位切削及规模取样试验，试验结果表明所设计的装置能将多金属硫化物矿切成合适的粒度并泵送至储料仓中，整个试验回收了大约15 t矿石[12]。

图6 鹦鹉螺矿业公司研制的多金属硫化物取样装置

国内长沙矿山研究院有限责任公司主持研制了多金属硫化物规模取样装置和富钴结壳规模取样装置，用于为后续冶炼及其他科学研究提供样品，以及为其采掘工程机构设计奠定技术基础。多金属硫化物规模取样装置用于我国西南印度洋多金属硫化物合同区定点采掘与原位测试；富钴结壳规模取样装置用于我国富钴结壳合同区平顶海山区开展结壳矿厚度声学探测、破碎和采集的综合试验，该装置于2016年首次在南海完成了采掘试验(见图7)。

图7 富钴结壳采掘头南海试验

2 发展趋势

(1) 环境适应能力不断增强。随着海洋资源调查工作的日益推进，要求水下探矿机器人向更复杂的海底作业环境和更大作业深度发展。以海底钻机为例，为了适应不同的海底底质，从一开始简单的框架式逐渐发展出伸展式支腿、拐杖式支腿、竖直伸缩式支腿和沉箱式支撑结构等不同调平和辅助支撑方式，使得钻机对海底地形和底质的适应能力大大提高。

(2) 作业性能、智能化程度越来越高。海洋技术的发展，尤其是海洋油气开采行业的发展，带来了深海动力传输、机电、测控、通讯、传感器等技术的发展和融合，基础装备与组件日益成熟，未来的水下探矿机器人将具有更强的作业能力、更高的运动性能、更好的人机界面,便于操作，并且更加智能化。

(3) 功能逐渐多样化。由于海底调查的高成本特点，水下探矿机器人执行调查任务时所配置的专用设备也在逐步发展，种类越来越多,功能逐渐多样化。以海底钻机为例,在功能方面除了单一岩芯取样外，逐渐发展为可搭载其他原位测试工具，一次性下水可完成多项调查任务。

3 结论与展望

(1) 在国际深海竞争中，深海资源探测装备正成为各国关注的焦点。水下探矿机器人是人类调查海洋资源、开发海洋必不可少的工具。随着陆地资源的耗竭以及新技术的深入研究，海底探矿机器人必将得到更加有力的支持和发展。

(2) 海洋技术的发展，尤其是海洋油气开采行业的发展，带来了深海动力传输、机电、测控、通讯、传感器等技术的发展和融合，基础装备与组件的日益成熟，未来的水下探矿机器人的环境适应能力将不断增强、作业性能和智能化程度越来越高、功能也将更加多样化。

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湖南省重点研发计划课题 (2016GK2030);国际海底区域研究开发”十二五”项目(DY125-11-T-01).

2017-07-14)

王荣耀(1985-),男,湖南益阳人,硕士,工程师,主要从事深海探矿、采矿技术及装备研究,Email:rongyao.wang@163.com。