历经30年，仍未解决通讯难题，水下机器人是虚假繁荣吗？ | 专访工程院士封锡盛

近年来，我国机器人产业一片欣欣向荣。

2017年，预计我国机器人市场规模将达到62.8亿美元，2012-2017年的平均增长率达到28%。其中，工业机器人42.2亿美元，服务机器人13.2亿美元，特种机器人7.4亿美元。

不过，在这些漂亮的数据背后，隐藏的却是很多难以言说的缺陷和不足，有些甚至已经逐渐成为制约产业发展的心腹大患。

对此，中国工程院院士封锡盛有着清醒的认识。

封锡盛院士我国最早从事水下机器人研究的专家之一，曾经担任我国第一台有缆遥控水下机器人“海人一号”电控系统负责人、我国第一台无缆自治水下机器人“探索者号”的总设计师、“CR-01”6000米自治水下机器人项目副总设计师、“CR-01”自治水下机器人工程化项目的总设计师和“CR-02”6000米自治水下机器人总设计师。

关键零部件、材料技术、

人机交互等是最大短板

关于机器人产业的分类，国内一直没有统一的说法。目前主流的观点认为，以其应用的产业为区分标准，机器人可以分为工业机器人、服务机器人和特种机器人。

在众多的分类中，大多都把水下机器人归到特种机器人的分类中。本文亦循此法。

从整体情况来看，我国机器人产业的发展还是比较快的，其中尤其是工业机器人领域。目前我国工业机器人约占全球市场份额30%以上，是全球第一大工业机器人应用市场。这主要得益于我国的工业化速度和经济发展带来的制造业蓬勃发展和对工业机器人需求的增加，密切相关。未来，我国工业机器人的市场前景还是非常广阔的。

可是，毕竟我我国在这一领域的发展时间相对较短，所以我们的基础还是比较薄弱，尤其是国外发达国家如德国、美国、日本等相比，优势并不明显。

“在关键零部件（如减速器、伺服电机、控制器等）、传感器、材料技术、人机交互等方面，我们与国外的差距比较大。在今后的发展中，以上领域也应该是我们要着重发力的。”封锡盛院士说道。

在全球工业机器人的成本构成中，35％左右是减速器，20％左右是伺服电机，15％左右是控制器，机械加工本体只占15％左右，其他的部分主要就是应用。

仅从成本占比最大的减速器来看，世界75％的精密减速器市场被日本的哈默纳科和纳博特斯克占领，其中纳博特斯克生产RV减速器，约占60％的份额，哈默纳科生产谐波减速器，约占15％的份额。

搭建水下通讯传输网络

是整个行业的最大难题

水下环境和水上的环境是大不相同的。

陆地上有互联网、GPS等等，通讯十分便利，信号传输也非常的通畅。但是这些因素，在水下都完全不具备。目前最为便捷的电磁波通讯，在水下的折射和传输衰减损耗非常之大。

一、水平前进的地表波折射图

图中所示，设E1，H1为空气中电场、磁场分量，E2、H2为水中电场、磁场分量。

二、垂直极化波折射图

图中所示，E1、H1表示入射波的电磁场强度，E2、H2表示反射波的电磁场强度,E3、H3表示折射波电磁场强度。

三、水平极化波折射图

由上可知，由于电磁波在水下的折射和损耗，所以在目前大多数水下机器人选择的通讯手段就是靠声波。

不过，声波也同样有着明显的弊端。

“声波的传播速度慢得多，在水下也就每秒1500米左右，远远赶不上接近于光速的电磁波。”

因为这个原因，所以水下机器人在水下的通讯就成了第一大难题。不像在陆地上很容易很方便就可以构建网络，而且带宽很大，目前水下的传输网络都还是个空白。

尽管现在也有人在做水下传感网络的搭建，但总的来讲，难度很大，进展也不顺畅。这种情况之下，要想研究水下世界，或是在水下开展工作，怎么办呢？

有两个办法。

“一个办法是给机器人装一根电缆线。有了这根线缆，就可以实现水下的通信、视频传输。但是线缆长度是最大的障碍，毕竟不可能无限长，同时线缆越长也会越影响机器人的机动性和灵活性。

“所以，这种有线的机器人只适合在有限、固定的范围内使用。这种，我们称之为遥控型，就是通过电缆来遥控的水下机器人。”

另外一种就是无线的自主型水下机器人，即去掉线缆，也不依赖于通信。显然，这样做的好处是可以让机器人走得更远、更自由。

“因为这种是自主型水下机器人，它在作业过程中要完全依赖于机载的智能设备，所以它的完美程度几乎完全需要依靠其智能化水平的高低。

“当然，目前各种人工智能技术都在进步，而每一个技术总是能找到应用空间。因此，尽管目前自主水下机器人的自主能力不高，但它仍然有着自己的用武之地，而且将来的技术和自主化、智能化水平也会逐渐提高，届时就会在更多的领域发挥作用。”

比如像在大规模的海洋探测和搜救方面，水下机器人的作用将会变得越来越大。

一个实际的例子就是，马航370失事之后的残骸搜索。这其中，美国的蓝鳍金枪鱼（美国最先进的军用水下机器人）因为参与了搜救的行动而被公众所熟知。它就是一款自主的水下机器人。

目前，在水下主要靠声波。其他的像电磁波、超长波也偶尔会用到，但是也都是在有限的信道范围之内，传送的波特率非常之低。

“另外，就是会用到激光，主要是蓝绿激光。它可以穿透一定的水深，但是能达到的深度也就只有80-100米这个范围，再深就不行了。

“所以综合来看，目前水下机器人的通信还是主要靠声波来完成，靠各种声纳设备来做信号传输。”

加快技术落地

需要院校、公司和社会一起努力

“这个问题比较大，牵涉到了很多方面的事情，这也是我们国家一个比较大的课题和难题：技术的成果转化率始终不高。

“我们不可能做到所有的科研成果全部都转化，无论是国内，还是国外。

“这个有各个方面的原因。首先我们要看技术成果本身是不是达到了可以转化的程度，其次是技术转化也需要有一个中间的推动介质。”

一个在实验室里完成的技术成果，并不等同于商业化的产品。从成果转化为产品，中间需要有人力物力财力的投入、市场化技术的二次开发，而这些目前正是国内水下机器人产业的软肋和薄弱环节。

“机器人这个产业在我国还算是个新兴的产业，而我们的很多企业都还很年轻，技术基础和人才准备不足，对技术成果的接受和转化方面还非常吃力。”

这就需要一定的时间，并要求产学研各方面一起努力，消除各种不利的因素。

作为科研单位，要在课题选择上多向市场靠拢，充分考虑将来技术成果的市场化前景，跟市场衔接；我们的企业也要不断壮大自己的技术实力，以增强接受技术并转化成产品的能力。

最后一个重要的方面就是，在从实验室技术成果到商业化产品的过程中，需要社会的大力支持，如金融、投资机构、政策等方方面面。

“现在有越来越多的金融和投资机构在关注机器人领域，我觉得是一个很可喜的现象。”

未来

家庭娱乐将是水下机器人下一个发力方向

2016年，我国特种机器人市场规模达到6.3亿美元，增速达到16.7%。2017年，预计特种机器人市场规模为7.4亿美元。到2020年，特种机器人的国内市场需求有望达到12.4亿美元。

从大的方面来说，军事是一个很典型的领域，这个在国外也是用的比较多的一个领域。而民用的水下机器人大体上有以下几个领域：海洋能源，海洋石油、天然气的探测开发，这也是水下机器人得以广泛使用的重要行业；

其他的像海底通讯，海底电缆、管线的铺设和维修，还有海上救助、沉物打捞等等。另外就是海洋科学研究方面。

以上就是水下机器人目前最为主要的应用领域。

近年来，家庭娱乐也成为了水下机器人的一个越来越重要的应用方向。随着人们生活水平提高和对生活品质的追求，对旅游尤其是水下世界的探索会越来越多，而水下机器人可以帮人们扩大水下视野，又能录制生动有趣的水下视频，从而满足人们的娱乐需求。

因此，这也给水下机器人提供了越来越大的市场空间，前景值得期待。

最后

目前我国的机器人产业还是一个自由散漫的状态，谁开发了一个产品，各家都有自己的一套标准，各自为政的局面。

“这种状态是不对的，也不利于整体行业的健康发展。

“我个人认为，出台一套统一的标准和相关的法律法规政策作为保障，对我国的机器人产业来说，非常必要。”封院士最后总结道。