南北极部分海域长年被海冰覆盖。传统的海冰考察方法不仅效率较低，获得的数据也很有限。水下机器人可在不受海冰影响的情况下观测海冰特征、冰下水文、环境和生物等，从而获得大量有效的数据。
早在20世纪80年代，许多发达国家就开始研发极地考察水下机器人。2003年，我国第二次北极科学考察期间，考察队员首次利用“海极”号遥控水下机器人探测海洋环境。
未来，极地考察水下机器人将向多功能、多用途、可重组的复合能力方向发展，必将进一步提高我国极地科学考察能力。
2018年7月，中国第九次北极科考队成功布放“海翼”号用于测量白令海的温度、盐度和深度等数据。这是我国自主研发的水下滑翔机首次应用于中国北极科考。水下机器人当然不仅仅在北极冰潜，南极海域也是它们施展本领的舞台。
2019年1月7日14时30分，我国极地考察船“雪龙”号伸展着粗壮的红色吊臂，在南极罗斯海投放了一枚形如鱼雷的科学仪器。这枚橘红色“鱼雷”钻入水中约4小时后，从60米深处返回海面，完成了一次航程达3.5千米的水下漫游。这是我国极地科学考察首次采用无人自主水下机器人探测南极海洋环境。
“ 探索1000”
这台能在水下自主航行的海洋仪器名叫“探索1000”。它最大的特点是没有电缆，主要依靠电池提供能源。为了便于“潜游”，它的外观被设计成流线型。水下机器人在南极应用要面临诸多挑战。极地是高寒、高纬度地区，水下机器人不仅要经受低温考验，而且由于受地磁场影响，磁罗经设备可能会失灵，因此需要更精确的导航控制。
在以往的调查应用中，“探索1000”已经具备了在极端环境下独立作业的能力，选用的主要元器件满足-10℃的环境温度要求，可脱离母船自主连续工作近30天。此外，由于1月的南极罗斯海正值盛夏，陆地周围的海冰融化成大小不一的浮冰，随着海流四处漂流。为此，考察队还特意准备了一根两米多长的竹竿用于推开浮冰，为布放、回收设备预留作业空间。根据海区冰山特点，科研人员还为“探索1000”加装了避碰功能模块，如同为汽车装上“倒车雷达”，使其具备极地海冰环境科考的应用条件。
万事俱备，只等布放。起吊、脱绳、遥控……考察队利用“雪龙”号在罗斯海新站卸货的间隙，布放了这台无人自主水下机器人，并让它沿着航路在南纬75度线向东航行了3.5千米。“探索1000”在冰海之下“探”到了什么？数据显示：它测到了罗斯海区域的温度、盐度和海流，还能“识别”海水中的溶解氧，对于水质浊度也自有一番“见解”。
这次“真刀实枪”的应用验证了“探索1000”在极地海洋环境中的导航、航行、自主潜浮、无线数据通信、水面遥控和布放、回收等功能，是一场名副其实的“破冰之旅”，标志着我国南极科考又增添了一种实用化观测手段。
回顾以往，由于南北极部分海域长年被海冰覆盖，传统的海冰考察方法是在海冰上钻孔，不仅效率较低，且获得的数据也很有限。水下机器人可不受海冰影响观测海冰特征、冰下水文、环境和生物等，从而获得大量有效的数据。南极地区存在许多冰架，如何对冰架进行有效探查一直是南极考察的难点。
科考人员在冰面钻孔。
水下机器人被公认为是在极地海洋开展大范围、大深度、长时间综合考察的有效技术手段。早在20世纪80年代，许多发达国家就开始研发极地考察水下机器人。进入21世纪，英国科学家于2005年利用水下机器人对南极芬布尔冰架首次进行冰架下探测，在2009年利用水下机器人探索了南极松岛冰川地区，水下机器人最深一次在冰架下行驶约60千米，获得了冰架下海底高分辨率地形资料和冰架底部精细结构数据。
2003年，我国第二次北极科学考察期间，考察队员首次利用“海极”号遥控水下机器人探测海洋环境。该水下机器人是中科院沈阳自动化研究所在短期内开发的专用水下机器人。为符合北极作业要求，“海极”号采取了一系列针对性措施：机器人顶端加装防护装置，防止关键部件被海冰撞坏；配置声学高度计，与机器人的深度压力传感器相互配合，可提供一套测量海冰厚度的方案；配置惯性角度测量系统，当磁罗盘在高纬度地区无法工作时，可提供机器人本体的方位角；为了适应不同的作业平台，“海极”号采用灵活收放方式，可在小艇或“雪龙”号船上布放。(www.xing528.com)
“海极”号水下机器人携带了仰视声呐和视频观测设备，可一次性完成冰下测点周围250米范围内的冰厚和海冰底部形态的观测。2003年8月1日—9月6日，“海极”号在楚科奇海、楚科奇海台和加拿大海盆共完成了8次冰下作业，获得了大量高质量数据和图像资料。
此后，沈阳自动化研究所再接再厉，研制出一款既可大范围运动又能在局部范围内精细观测的新型水下机器人。该水下机器人被称作“ARV”，它的英文名字来源于ROV和AUV。目前，该型水下机器人已参加了3次北极科考。2008年第一次应用时，考察队员通过“雪龙”号船搭载的“中山”艇把机器人布放下去，让机器人在海冰的边缘和底下航行。这是我国科学家第一次用水下机器人看到北极海冰下的壮观景象。
2010年，考察队员用时3天在北纬87°厚达1.8米的海冰上凿了一个冰洞，把水下机器人从洞口投放下去，待任务完成后，再将其从冰洞回收上来。这次试验验证了该型水下机器人完成任务后可回到原投放地。2014年，改进后的水下机器人体积缩小了近一半，布放更加便捷。机器人钻进冰洞后“看”到了海冰下的冰裂缝以及海冰融池等诸多现象。
“北极”ARV
中国第35次南极考察队首次采用“探索1000”在罗斯海极区海洋环境下开展系统、连续的海洋剖面要素观测。罗斯冰架下方的海水温度约为-1.9℃，被称为“冷腔”。冰架及其冷腔是连接大洋和南极冰盖的纽带，对南极冰盖的稳定性和大洋环流有重要影响。“探索1000”获取的观测数据进一步验证了绕极深层水在三维空间上的立体分布特征，标志着我国水下机器人技术正式登上了极区海洋观测领域的世界舞台。我国未来将进一步开展冰架下观测。
2020年，“探索1000”应用于中国第36次南极科考，完成了南大洋海洋环境自主水下机器人调查任务，为考察队执行罗斯海多环境要素综合调查提供了技术支撑。
2020年年初，“雪龙”号极地考察船抵达南大洋罗斯海新站附近海域，考察队按航次计划布放“探索1000”。“探索1000”按照计划完成自主执行多海洋要素走航观测后被成功回收至“雪龙”号极地考察船。在本次作业中，“探索1000”水下连续工作35小时，航程约达68千米，完成了17个剖面的科学观测，获得了海流、温度、盐度、浊度、溶解氧及叶绿素等大量水文探测数据，验证了我国自主水下机器人在极端海洋环境中开展科学探测的实用性和可靠性，为极地冰盖冰架下科学研究取得突破进展提供了重要手段。这也是国内水下机器人首次在南极高纬度下长时间进行下海科研活动。
本航次是“探索1000”继参加中国第35次南极科学考察后第二次挺进南大洋，也是其在完成多项关键技术升级后的首次大洋应用。
“探索1000”回航。
未来，极地考察水下机器人将向多功能、多用途、可重组的复合能力方向发展，必将进一步提高我国极地科学考察能力。
【致谢】本书写作时参考了《奇异的深海》（上海科学技术文献出版社，2014）、《“黄胖鱼”有何过人之处》（人民日报，2018）、《“沈括”号在西太平洋展开海试与科考作业》（新华网，2018）。
“深海勇士”号载人潜水器总设计师胡震（中船重工第702研究所研究员）和“海翼”号深海滑翔机总设计师俞建成（中国科学院沈阳自动化研究所研究员）提供了相关设备图片；潜龙系列 AUV总设计师刘健（中国科学院沈阳自动化研究所研究员）和“潜龙三号”副总设计师许以军（中国科学院沈阳自动化研究所高级工程师）审读了本书相关章节并提出修改意见；“海燕”团队负责人王树新（天津大学副校长）、技术骨干王延辉（天津大学机械工程学院教授）和杨绍琼（天津大学机械工程学院讲师）审阅了相关章节并提出修改意见。在此一并感谢！
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