“海马”号第一次下潜，
就发现我们国家管辖海域内
第一个巨型活动性“冷泉”。
陈宗恒 · 广州海洋地质调查局教授级高级工程师
格致论道第107期 | 2023年12月19日 广州
大家好，我是来自广州海洋地质调查局的陈宗恒，很高兴和大家分享我与“海马”号深海遥控潜水器的一些故事。
我从2007年参加工作时就选择了海洋地质行业，到现在已经有十几年了。我对深海充满着好奇，所以最早的工作主要是通过海底摄像设备，把海底的影像通过电缆直接传到调查船上面。
提到海洋，大家一定能想到辽阔的海面、美丽的沙滩、绚丽多彩的珊瑚。那海底有什么值得我们去看的呢？其实，深海里面蕴藏着丰富的宝藏。
另外一个就是多金属结核，它包含锰、铬、铜、镍等几十种元素，品位很高，储量丰富，也很具有开采价值。
这就是我当时用来在海底拍摄的设备，但它没有动力，只能随波逐流，有点类似于放风筝。右边是我们做的一个示意图，红色的轨迹就是海底摄像的轨迹，它一走就过去了，想再回过头看是不可能的。而我们希望深潜器是精准可视、可控的，可以对一个地方进行反复精细的调查，就像绿色的轨迹那样。
所以人类一直在发展深潜器技术，目前主要有三大类，一个是载人潜水器，一个是无人有缆的遥控潜水器，还有一种是无人自治的潜水器。
载人潜水器的最大优点就是可以把人带到深海里，但是只能坐两三个人。无人自治潜水器要搭载一些声学、光学的传感器，用来测绘海底的地形地貌、调查深海环境参数。但它没有接手，不能在海底干活。这两类潜水器还有一个特点，在海里工作一段时间后，就得回去充电。为了破解这种限制，人类发展出了无人有缆的遥控潜水器。
▲无人有缆遥控潜水器
这种潜水器的最大特点就是有一个“脐带缆”，就像婴儿连接母体的脐带。母船给它供电，它把海底的信息传输到母船，船上的工作人员就可以实时看到深海所有的景象，还能在船上遥控它，代替人到深海里面去干活。
另外，它就像一台厢式货车，可以搭载各种各样的工具，作业时间也不受限制，所以作业能力特别强，适应能力也强。由于不用载人，它也可以去比较复杂危险的地方干活。所以它已经成为世界上数量最多、类型最齐全、应用最广泛的一类潜水器。
▲左：1960年第一台ROV
右：海上坠机的海底搜寻打捞
这种遥控潜水器我们叫它ROV（remotely operated vehicle），在深海探测过程中发挥着非常大的作用。世界上第一台遥控潜水器就在深海成功打捞了一个落水的氢弹，引起了世界范围的轰动。后来，如果法国航空、瑞士航空的飞机坠落在深海，也是它们去打捞黑匣子，找到事故的原因。
这是“深水地平线”石油钻井平台发生油气泄漏，也是通过这种遥控潜水器进行了封堵作业。
泰坦尼克号沉船的第一张内部图片，也是通过它获得的。此外还有一些别的重大科学发现。所以整个深海探索领域都离不开遥控潜水器，世界各国都在竞相发展。
深潜器的技术水平标志着一个国家探测深海的能力，国外起步早，发展得非常快，就对我们进行技术封锁。随着中国国力的增强、技术的发展，2006年，国家就把深潜器的研制列入到了国家中长期科学和技术发展规划纲要。
正是在这样的背景下，“海马”号研制项目启动了。我非常荣幸，参加工作不久就加入到国家大项目里。这个系统有两个最主要的核心指标：一个是4500米，一个是国产化率90%。
为什么要设置4500米指标呢？因为4500米的水深覆盖了我们国家管辖海域98%以上的面积，而且国际上主要的一些资源勘探区域也在这个水深范围内。所以这个项目可以解决我们亟需的深海探测关键技术装备。
国产化率90%以上，这是国家高瞻远瞩提出的“科技自立自强”目标，让我们突破相关技术封锁，掌握核心关键技术。
拥有自己的深海遥控潜水器是几代海洋人的梦想，我和我的团队非常珍惜这个项目研发的机会，每个人都以巨大的热情投入到其中。但是起步相当艰难，因为刚开始我们没有经验可循，没有东西可以参照。
我们从搭建一个模型开始，了解潜水器在深海里面的水动力性能，寻找最优的设计方案，来保证达到最佳的效果。
由于要实现90%国产化率的指标，有很多关键技术要一项项突破，包括4500米的浮力材料，4500米的控制系统也就是机器人的“大脑”，机械手，还有“眼睛”比如照明灯或摄像机等。
最难的是，我们所有的部件都面临着4500米的耐压考验。4500米的压力，等同于一个小小的手指头要承受上吨的压力。所以我们经常会面临压力舱被打坏的景象。
拿一个看似简单的深海照明灯来说，它因为要发光，所以会发热，但是深海里面的温度很低，大概在2℃左右，所以内热外冷。4500米的压力导致密封非常难，特别是这种玻璃罩的性能又不像钢铁那么好控制。所以我们设计了多种方案，优选了几十种材料及密封结构，进行了上百次实验。
大家可以看到，不停有玻璃罩被打碎。经过不断地摸索，我们最后终于突破了这种大深度、高亮度的照明灯，也为以后探索深海提供了一个非常好的工具。
经常会有人问，“海马”号在下潜时是不是要弄一个罩子把它罩起来呢？事实上不是的，我们所有部件都要面临深海的高压、高腐蚀性还有风浪流的考验。所以它的系统可靠性要求特别高。
我们整个2013年都在测试、解决问题、再测试、再解决问题，这样前后不断地重复，就为了赶上2014年的海试，2013年的最后一天，为了解决一个问题，我们忙到深夜，等收工了才发现2014年已经到来了。走出实验室的时候，外面已经飘着小雪，虽然风很冷，但是我们解决问题的那份喜悦至今记忆深刻。
由于我们在水池做了大量的测试和调试，就为海上试验奠定了非常好的基础。不过，海试面临着真正的高压和恶劣复杂环境的影响，它的挑战更多，也出现了各种问题，我们一直边海试边解决问题。
我们进行了4个航次的试验，共计下潜17次，对100多项指标一项一项进行验证和考核。同时，我们在试验过程中还做了一些设备的布放、深海样品的采集等功能的试验，检验“海马”号的实用性到底强不强。
经过了多次的下潜和试验，整个系统的可靠性得到了充分的考验，到最后一次“海马”号下潜到4500米，完成所有的试验，浮到水面的时候，全场爆发了热烈的欢呼声。我们多年研发的压力在瞬间得到彻底释放。这不仅仅是因为“海马”号试验成功，也是为我们自己欢呼。正是“海马”号的研发成功，让我们掌握了大深度潜水器的关键技术。
冷泉生态系统的一生
海试之后的2015年，我们接到去南海寻找可燃冰的任务。怎么用这种深海遥控潜水器寻找可燃冰呢？我们也是第一次，没有经验可以借鉴。我清楚地记得，还没过完年，我们就到船上调试设备，做好充足的准备。
机会总是留给有准备的人，我准备得很充分，所以“海马”号第一次下潜，就发现我们国家管辖海域内第一个巨型活动性“冷泉”，我想，这是不是因为我们付出了那么多，深海就为“海马”号、为我们这个团队送来了一份珍贵的礼物。
为什么它叫做冷泉呢？大家知道，深海里面有的地方是“漏”的，会有一些气体漏出来，很像泉水一样。
深海超过200米是没有阳光的，一片黑暗，没有植物，也很荒芜。但是在海马冷泉，我们发现了密密麻麻的生物。
为什么会存在这么多的生物呢？简单来说，这里有一种能吃气体的细菌，可以把海底的“甲烷气体”转化成糖或者有机物，为海底的生物提供能量，形成一个“黑暗”的生态系统。
我们原本一直以为，从最早的气体渗漏到生物繁衍需要很久。但实际上，只要有气体渗漏的地方、有物质能量的地方，就会有生物。这是我们自己研发的高清微距相机拍摄到的冷泉生物刚刚发育的样子。
随后就有贻贝来生活，它和这种细菌是共生关系，一个提供物质营养，一个进行食物加工。我们能看到一大片密密麻麻的贻贝，就是因为它能充分利用海底的物质能量进行生长和繁衍，是这个生态系统的优势物种。
这种海螺是依赖其他生物生存的；
除了这些特有的生物，在这个生态区里面还有各种外来的“流浪者”。它们不是这个生态系统特有的物种，但是看到深海“沙漠绿洲”里很丰富的物质后，就在这儿定居下来了。
而一旦气体停止泄漏，这里就会变成一片荒凉。但是还有一种生物能够生存，叫管虫。它也是一种和细菌共生的生物，只需要很少的能量就能够生长并存活百年以上，是这个冷泉生态系统的最后见证者。
我们在海底还能见到很多的科学现象，比如“可燃冰”是甲烷气体在一个相对封闭的腔体内立刻形成的。但是为什么会形成？为什么是块状？为什么会一层层形成？还等着我们去探索。
海底气体渗漏形成的气泡各种各样、形态大小不一，溢出的速度也不一样。为什么在同样的环境下，很小面积的海底会出现这些奇特的现象，也还有待研究。
在深海吊起两台“小汽车”
现在，我们的“海马”号每年都很忙。每年上半年，我们去南海找可燃冰，下半年，我们走出国门，远赴太平洋寻找矿产资源。
寻找矿产资源面临的最大问题，是怎么在坚硬的岩石上取得岩石样品。我们没有用国外水平钻的模式，而是开发了这种垂直钻。它的最大特点是安全，一旦卡在那儿，我们可以将钻杆提出来。而水平钻的最大危险就是一旦这个设备动不了，把它固定在海底，会有很大的风险。
▲声学测量与钻探取芯联合作业示意图
为什么敢这么设计呢？这是因为“海马”号是我们自己设计的，我们可以根据自己的需求对系统进行改造，重新布局。我们还扩展了声学测厚的探测设备，让它边走边测海底的矿产资源到底有多厚。
▲ROV岩心样品
然后还能再做个岩心取样，分析一下里面的成分。所以“海马”号为大洋矿产资源提供了非常精细的调查手段。
同时，我们还针对可搬动的样品开发了一个大力爪，这一下就抓住了这块看起来很小的石头，实际到上面一看，原来是62公斤的很大的岩石。
我们在深海里面临最大的风险，就是设备丢失到海里面了。
2018年大洋51航次，一台非常重要的设备由于受到复杂的海况的影响，在海底无法回收。那怎么办，我们是返航下次再来呢，还是用“海马”号去打捞呢？
由于往返的时间很长，返航意味着成本很高。但用“海马”号打捞，也就是说单独靠ROV本体去打捞3吨重的一套设备——这是将近两台小轿车的重量，而且它还有半截钻杆在岩石里面，起拔力也非常大，作业风险很大，全世界都没有先例。
因为对“海马”号的作业能力有信心，经过激烈的讨论，我们制定了详细的方案，考虑并设计了一种穿针引线的方式，通过“海马”主吊点起吊。
我们把“打捞缆”——一根指头粗的钢缆穿到一个很小的孔里面，把这条缆连接到“海马”号的本体承重点上，再把它拽上来。这个难度是非常大的，但“海马”号的精细操作能力完成了这个任务，顺利把这个设备打捞回收。
经过这次打捞以后，我们的同事就说，以后到海上工作就更有信心了。一旦设备丢到海里面，就可以让“海马”号打捞。
我们随后还创造了遥控深潜器独立打捞最深、最重的记录。
▲2018年，与深海勇士载人潜水器联合作业
我们还和载人潜水器在深海里面联合科考作业，两台深潜器近距离接触，发挥各自不同的优势来探查海底。
受到前面打捞的启发，科学家就说，能不能把我们的一些探测设备直接布放到海底，用原位探测设备直接去海底观察分析。“海马”号确实有这个能力，我们在深海布放各种观测设备，同时收集海底生物样品并原位保存。这样就把科学家“将实验室搬到海底”的梦想也实现了。
不断升级改造
随着“海马”号应用领域越来越广泛，一台“海马”已满足不了需求，我们又研发了一台，形成了两台“海马”号双作业的模式。
两个平台，两个团队，一个在大洋进行矿产调查，一个在南海寻找可燃冰。
▲2022年，发现深海“溶洞群”并精细测绘
2022年，我们到南海发现了“溶洞群”。“海马”号拓展了声学光学高精度测绘设备，我们让“海马”号钻到洞里面去，然后对洞穴的结构进行了精确的描绘，还进行了一些样品的获取，分析溶洞是怎么形成的，给科学家提供了强有力的支撑。
在2022年和2023年，我们还在深海里面发现了明代的文物。希望我们能够将这些遗存的文物展示到公众的面前。
从2015年开始，一直到2017年、2019年和2021年，“海马”号的外形每年都不一样。因为我们需要根据作业需求不断地扩展它的功能，给它增加新的调查手段，让它具备更强的能力。
2019年，我在参加大洋55航次的时候正好是国庆节，在海上看到电视里正在播放国庆70周年观礼的活动，发现我们“海马”号也在上面展示。当时只能用惊喜来形容，因为这么多年研发和应用，最后的成果能够得到大家的认可，特别开心和激动，心想这应该是对我们团队多年付出的鼓励。
为什么我们这个团队能够保持这么强有力的创新能力，每年都有技术突破和重大应用成果呢？根本原因在于我们抓住了海洋地质调查需求的牵引力，用科学研究需求来牵引技术的发展，促进技术不断地创新和突破，反过来又支撑科学家去探索深海的资源和奥秘。
随着未来深海探测技术的发展，特别是无人智能化技术的发展，希望下一次我还有机会能跟大家分享更多深海里面的奥秘。
谢谢大家！
