一帮浙大人手搓“水下飞鱼”让中国仿生机器人“游向世界”
当前，越来越多机器人已进入“打工模式”，比如机器人交警、机器狗巡逻相继在杭州街头上岗。那你见过工作的机器飞鱼、机器蛙吗？
最近的台风季，为了及时发现台风过境后海上风电、跨海桥梁、港口码头等重大海洋工程的安全隐患，浙江海域派出了“机器飞鱼”，也就是水下高机动仿生智能机器人。这一科研成果曾走上联合国授予的国际水奖PSIPW创新奖领奖台——这是首个中国科学家团队获此世界级学术奖项。日前，该成果还获得了浙江省知识产权奖专利奖。
水下机器人的应用场景有哪些？在我省海洋强省战略中扮演着什么样的角色？日前，潮新闻记者对话了浙江大学贺治国教授、焦鹏程研究员团队。
2024年7月的一天凌晨，贺治国教授接到了一通来自欧洲的英文电话，对方祝贺他获评“苏丹亲王国际水奖PSIPW创新奖”。贺治国的第一反应是“哪个同事恶作剧？”，挂了电话上网查证后才确认真的是世界水研究领域最高层级学术荣誉的获奖通知电话。
这通差点被挂掉的电话，背后是中国团队历时十余年研发的全球首创化学放能瞬变速驱动水下仿生智能机器人。
2012年，党的十八大报告首次提出“建设海洋强国”，2013年浙江大学海洋学院正式成立，当时贺治国就开始琢磨：海洋是多学科交叉的大场景，如何将这一学科与真实工程应用场景结合？
回望那个时期，全国海上工程正处于集中爆发的阶段：投资200亿元、全长36千米的杭州湾跨海大桥于2011年顺利通过竣工验收；亚洲首座大型海上风电场——上海东海大桥海上风电场一期项目于2010年投入运行，二期建设已排上日程；全长55公里的港珠澳大桥仍在建设；浙江舟山群岛新区在2013年初发布三年行动计划，投资超千亿的一系列重点工程即将全面推开……
越来越多海洋相关项目从图纸走向现实，从浅水走向深水，未来大量海面之下的大型工程运维仅仅靠人力显然不现实，如果依靠水下智能机器人来实现呢？这条路可行吗？
2018年，在美国密歇根州立大学完成土木工程博士学位的焦鹏程回国加入浙大海洋学院。贺治国的研究方向是海洋动力学，焦鹏程研究工程结构，而跨海大桥、海底隧道、港口码头甚至海上浮台等工程项目，都是和土木、海洋学科专业密切相关的。于是，交叉学科团队正式集结。
2024年11月8日，维也纳联合国总部领奖台上，这一中国团队用来自浙江的成果告诉世界，水下机器人未来或将逐步替代“蛙人”的这条路，可行。
仿生飞鱼从何而来？研究海洋动力学，少不了要出海。2017年，贺治国参加了海洋二所韩喜球研究员主持的印度洋一次为期2个月的海上科考，这颗“种子”就此埋下。
“我此前并不研究海洋生物，但在这两个月中，船上的甲板时不时会飞上来飞鱼，从海中起跳、滑翔几十米，再落下去，恰好落到甲板上，我看到就会去捡起来，仔细观察后再把它们丢回海里。当时我就开始想，飞鱼是如何能够突然从水下飞起来，为什么能飞，还能飞这么高、滑这么远？它的能量来自于哪里？驱动机理是什么？”十年前，海上漫长的两个月恰好给了他思考和启发。
事实上，这两个月并不平静，中间还发生了一个称得上意外的插曲。由于科考工作不在传统航道上，航行前一个月从未出现其他船只，然而当船在亚丁湾附近海域作业，靠近索马里半岛时，一天晚上突然看到有两艘不明船只紧跟。“恰恰一周之前才出了有货轮被索马里海盗扣押的新闻。危机时刻，首席索性给亚丁湾护航舰队打电话寻求帮助，结果第二天清晨朝阳初升时这支舰队就赶到了，在他们护航下，尾随的不明船只不见了，我们才得以顺利完成了这次科考并安全回国。”贺治国回忆道。
当2018年团队集结，也有了仿生机器人的研究方向，但要真正落地并非易事。如何让机器人在海洋工程桩基群狭窄、复杂的水下空间机动灵活作业？传统的推进方式显然不行，受飞鱼爆发式飞跃水面的启发，他们想到了化学放能产生高密度能量驱动柔性膜变形弹射的新驱动方案：用丙烷+氧气混合，电火花点燃产生微型“爆炸”，推动柔性膜变形，利用瞬时强动能弹射的机器人。为了把这个“爆炸”的力量、膜的变形、推力大小全部量化成数学模型，团队啃了5年硬骨头。最终研制出全球首例高性能水下瞬变速软体驱动器，可实现毫秒级响应，在0.1s内达国际最高速度，具备水下直线加速、曲线加速跳跃及水空跨域运动能力。机器人在遇到暗桩、承台、墩柱、水草缠绕和深坑扰流等突发风险时，可实现快速避障、脱困和稳定巡检。
当然，要成为水下智能机器人，绝不止要有瞬间反应和高机动能力，还要能看、能识别。针对水下昏暗复杂环境中结构损伤识别不准的难题，团队研发了融合自注意力卷积神经网络的水下结构损伤高精度智能识别模型，建立裂缝、剥落、钢筋外露、腐蚀、生物附着等五类典型水下结构损伤数据集。
一旦让数据定量化、标准化，就能实现可复制。完成了最难的从0到1之后，接下去的推进就快了。如今贺治国与焦鹏程团队研发的仿生机器人家族将堪比“海底总动员”，应用场景也多种多样，除了仿桡足、仿飞鱼、仿蝠鲼等系列水下高机动仿生监测装备，还有机器蜥蜴、带鱼、机器蛙、飞猫等。
近日，浙江舟山海域，一台水下机器人成功对六横码头桩基、海上风电场风机基础进行了近距离巡检，针对水下桩基、承台等核心部位易产生的裂缝、腐蚀及海洋生物附着等隐患，机器人通过多角度全覆盖巡检，获取关键影像数据，解决了传统检测“看不清、辨不准、漏检率高”的痛点。
这台“打工”的水下机器人就出自贺治国与焦鹏程团队，并且是已有3年工龄的“熟练工”。
近3年，水下智能仿生机器人应用于我国沿海四省15项重大海洋工程，累计完成水下运维检查作业百余次，精准识别水下结构损伤49处，产生直接经济效益超4.5亿元，间接经济效益超900亿元。除了海洋工程运维，已有传统渔业企业主动前来接洽，希望将水下仿生机器人投入到海上渔业养殖之中，未来可通过水下机器人动态监测水下鱼苗生长情况，及时发现并修复养殖网箱破损等复杂情况。
如果说传统产业是稳住海洋经济的底盘，赋能创新“黑科技”的海洋新兴产业或许是打开增长空间的关键变量，浙江正不断将“创新”置顶。《浙江省海洋科技创新能力提升行动计划（2025—2027年）》中，浙江明确提出要实施科创平台能级提升、关键核心技术攻关、创新主体生态强化、创新人才引育四大工程，加快海洋科创驱动战略性新兴产业加速崛起的步伐。
浙江作为海洋经济大省，近海及深海工程设施密集，长期面临台风、风暴潮、强浪、强流、海水腐蚀、海底冲刷等多重恶劣环境考验，水下机器人的应用场景广阔且迫切。2023年开始部署实施的浙江“千项万亿”工程中，涉及海洋交通、海上风电等领域的项目众多，水下智能运维需求正在爆发。
根据全球前沿科技咨询机构ICV Tank数据，全球水下机器人市场规模从2020年的57亿美元增长至2024年的94亿美元，预计2030年达到601亿美元。可以预见，水下机器人正在重塑海洋开发的新图景。下一步，这支浙大研发团队将继续推动水下高机动仿生机器人在更多海洋工程场景中的运用，助力海洋经济高质量发展。