慧识东来 | “挑战深海:冲击全海深”讲座回顾

发布者:李卫峰发布时间:2025-05-22浏览次数:10


   习近平总书记指出,当前,新一轮科技革命和产业变革深入发展。科学研究向极宏观拓展、向极微观深入、向极端条件迈进、向极综合交叉发力,不断突破人类认知边界。技术创新进入前所未有的密集活跃期,人工智能、量子技术、生物技术等前沿技术集中涌现,引发链式变革。与此同时,世界百年未有之大变局加速演进,科技革命与大国博弈相互交织,高技术领域成为国际竞争最前沿和主战场,深刻重塑全球秩序和发展格局。
   
今年是“十五五”规划的谋篇布局年。东方语学院正深入思考,百年未有之大变局背景下如何把握新一轮科技革命与产业变革的精髓,聚焦回答好“强国建设、上外何为、东院何为”这一时代命题。我们认为,新一轮科技革命与产业变革不仅是技术层面的飞跃,更是人类社会的生产方式、生活方式乃至思维方式的质变,正在实现从“赋能”到“赋智”的根本性转变。这对我们着力培养的卓越亚非研究人才提出了新的、更高的科学素质和能力要求。为此,我们将推出新系列“慧识东来”讲座,聚焦提高学生的跨学科学习能力、创新性批判性思维、数智化技能、自我适应能力和社会责任感。

   讲座伊始,苏婧老师便引《诗经》“如临深渊,如履薄冰”,以此说明在地质学意义上的“深渊”探索的任重道远,和研究所需持有的小心审慎的科研态度。自党的十三大提出“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务”以来,探索和发掘深海、赋能科研和创新,发展高技术深海装备成为深海开发和权益维护的关键内容。

   为了使同学们快速了解全海深无人潜水器的相关概念,苏婧老师讲解了潜水器的分类——包括载人潜水器(Human Occupied Vehicle, 简称HOV)和无人潜水器(Unmanned Underwater Vehicle, 简称UUV)两种类型,无人潜水器又分为无人遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle, 简称ROV)、无人无缆潜水器、混合遥控潜水器/自主遥控潜水器(Autonomous Remotely-operated Vehicle, 简称ARV)。

   载人潜水器是搭载人员开展水下观测与作业的潜水器。主要的技术难点包括载人球壳技术、生命支持技术、水下导航技术和水下通信技术;无人遥控潜水器,是采用脐带缆进行远程遥控的潜水器。它的特点是动力强大、信息能够高速传输、作业时间长,主要的技术难点包括安全布放回收技术、升降补偿技术、远距离高效安全供配电、动力定位与导航技术、以及精细作业与取样技术;自主遥控潜水器兼具AUVROV的部分功能,自 带能源,可实时控制、可自主控制,主要的技术难点包括光纤维细缆技术、ROVAUV技术难点的综合。

进入深海迎接万米挑战时,需要安全的布放与回收技术、轻量化的系统和装备、确保能在深海环境下生存的耐压材质和定位通讯系统。若稍有不慎,则会如日本的“海沟号”在2003年的布放中由于缆线断裂而丢失、或如美国的“海神号”在2014年的耐压结构事故中内爆损毁。

   目前国内大学研制的万米级深海装备包括哈尔滨工程大学的“悟空号”全海深AUV、天津大学的“海燕号”水下滑翔机,以及上海交通大学具备全海深作业能力的“思源号”无人潜水器,这些尝试探索了传统学科体系下的“能力”极限。

   以“思源号”为例,其组成部分包括水下的ARV本体、中继器、SBL锚系;以及水上的水面监控动力站、止荡器、甲板转运拖车系统;声学通讯定位系统。

   在安全布放与回收技术上,它采用不同的光纤以实现不同的目的和用途——光纤张力管理保障张力稳定、大深度中继ROV是光纤缆布放的稳定平台、高强高刚光纤缆能克服张力和扭结,成功地克服了万米深渊深沉和海流所给光纤带来的挑战;又通过ARV-中继器双体结构,实现在万米应用和深水对接的功能和效果。4层结构高强高刚光纤维细缆、螺旋水道成团工艺和外抽柔性搭载,从声学到光学的交会策略转变、以及从ARVARV/中继器双机动的控制策略转变一起保障了设备的安全稳定布放与回收。

   在耐压设计与建造技术上,它采用钛合金材料,建立了超大潜深材料选取和结构安全性设计方法,采用有限元数值计算技术和深海环境模拟实验验证。苏婧老师特别提到,在浮力材料的选取上,它采用陶瓷耐压珠,成功实现了国产化替代。

   在深海通讯与定位技术上,它采用基线定位与水声通讯;而在深海动力与推进技术上,则使用磷酸铁锂离子电池实现万米深度的抗压和容量双保障。

   一般而言,潜水器会经过实验室的水下对接原理验证、再进行湖试和海试等试验。

   在深海取样时,需要使用浓缩微生物取样器、海水原位取样器、沉积物取样器、温度触发式热液取样器、热液保压取样器等一系列装置。这些装置包括搭载的可以取深海土石样本或深海生物样本的双机械手、或是更符合环保理念的漂浮式吸取设备。通过保留和还原微生物原本的深海环境,微生物从深海到陆地的存活有了可能。

   从深渊取出的沉积物对生物科研大有帮助。研究人员可以从这些样本中培养出超嗜压、耐压,分析基因组特征;同时,也可以发现抗氧化的微生物高压下碳、氮代谢的新类群和新途径,构建能量代谢模型,比如在碳代谢上,高压激发甲烷不完全氧化,促进深海有机物循环、在氮代谢上,高压环境存在隐秘的厌氧氮循化,导致深渊氮流失,和总体上的高压导致细胞功能性缺氧,调控能量分配和抗氧化。这些发现能够助力论文的撰写和发表、以及相关药物的研发。

   深渊的世界并非总是寂静而毫无生气的,除微生物外,也有动物的活动。如狮子鱼、海参、钩虾、海星等,这些生物也同样丰富了海底的世界。

   除海底生物的取样研究外,针对海底地形地貌探测,全海深潜水器也能发挥独特的作用。上海交大自1959年开始潜艇教学与科研,从1971年历时15年,完成我国第一艘深潜救生艇,并列装海军。其研发的海龙系列ROV共发展8型,不仅用于海洋调查、还用于海工作业。曼塔号ROV作为节点快速布放特种作业ROV,在我国西太矿区环境监测基站的布放施工中发挥了重要作用。

   曾经的第一、第二岛链来源于欧美相对于我国的代差级“水下装备”优势,使得我国长期处于“水下国门洞开”的状态,而展望未来,水下智能无人技术是我国典型的“新域新质”科技力量,我们也必将在万米深渊开拓出属于我们自己的一番天地。