水下机器人的人工智能技术
水下机器人的人工智能技术
水下机器人是可潜入水中代替或辅助人类进行水下作业的机器人，经历了从载人到无人，从直接操作、遥控、自主到混合等主要阶段，被广泛应用于海洋工程、水产养殖、科学研究等领域。新一代人工智能相关技术的迅猛发展，将大幅度提升机器人的智能化水平，水下机器人将加速进入智能化时代。
海洋占地球表面积约70.8%，是一个富饶的资源宝库。海洋对于人类生存和发展的重大战略意义日益受到各国的普遍重视。水下机器人是可潜入水中代替或辅助人类进行水下作业的机器人，经历了从载人到无人，从直接操作、遥控、自主到混合等主要阶段，被广泛应用于海洋工程、水产养殖、科学研究等领域。新一代人工智能相关技术的迅猛发展，将大幅度提升机器人的智能化水平，水下机器人将加速进入智能化时代。
数据是21世纪的石油：这一重要表达描述和解释了过去十年中人工智能（artificial intelligence, AI）技术所取得的令人瞩目的巨大成功。《水下机器人的人工智能技术》试图勾勒出人工智能在水下领域中的应用前景，目前这一领域几乎尚未被人工智能技术所触及，但这也为人工智能领域提供了巨大的潜力。若人工智能技术与现代机器人技术相结合，人类将会从这些应用中获得巨大的收益。
水下环境的挑战
在水下环境中部署和使用即使是最简单和最稳健的机械工具也成了一项挑战，因为这通常意味着大量的准备工作、持续监控和维护。当涉及使用更复杂的机电组件甚至系统时，准备和维护的工作量会随着组件或系统的复杂度，也就是所连接的机电部件、组件或系统的数量而呈指数倍增长。其结果就是，在这种环境中进行任何活动的“价格”都会相应上涨，因为为了确保在海上尤其是水下环境中技术的安全可靠运行，唯一途径就是增加准备和维护的人工。值得注意的是，尽管规模不同，但无论是对科学研究团队还是产业化的企业来说，都面临着相同的状况。在这种情况下，如果计算一艘标准的海上维修工作船在一天内燃烧的燃料量，“价格”的概念也具有了生态学的意义。显而易见，替代性地使用现代机器人和人工智能技术会使得一天的开支大幅减少，从而减少此类作业的生态足迹。
智能系统所需的基础技术
第二部分将重点放在实现第一部分第1篇文章“人工智能技术面临的挑战和潜力”所假设的智能系统所需的基础技术上。这些基础技术涵盖材料科学、生产战略、模块化和可重构方法。
为了满足智能系统的需求，巴赫迈尔等从材料科学的角度讨论了新兴且先进的材料和制造策略的可能性，使系统能够更强健地利用自我修复等特性，而不是只能承受恶劣的水下环境。希尔德布兰特等提出了模块化和可重构的方法，重点是改进水下系统的可用性、多功能性和部署成本。巴赫迈尔等通过深入思考设计新推进器的可能性，专注于一种与众不同然而又非常重要的技术，以更为精密和准确的方式操纵和控制水下航行器，切实反映了底层控制算法的发展潜能。
另一项非常需要的基础技术是通信。尽管电磁波传播受物理学规律的限制，在水下被限制在非常窄的带宽内，面对有限的带宽，伍本等利用语义概念作为新的沟通范式，研究了通信的替代方案。
最后巴尔奇等专注于未来水下机器人的另一项重要能力，他们通过给水下操纵引入新概念，将陆地作动器的设计和控制的概念拓展到水下高性能、可伸缩作动器的设计和控制上。
系统功能、性能及表达环境结构和动态的发展潜力
为了实现精确和智能操纵，费尔南德斯等分析了机器学习对水下机器人日益增加的结构复杂性进行建模和控制的发展潜力。机器人需要具备精确识别和描述环境的能力，才能有效地应用现代人工智能技术，克泽等将重点放在了这一方面，他们使用现代人工智能技术来进行环境的识别和表达。坎普曼等将重点放在水下抓取系统上，其本身是水下操纵中非常重要的子系统，强调只有拥有灵巧的操作，开发并利用创新的压力耐受传感器技术，才能实现水下机器人的自适应灵巧抓取。
该领域一个极其困难的情况是对水体的系统动力学进行建模，应用数学直接法具有非常窄的适用性，因为它涉及介质性质的变化以及系统本身的动态变化。费尔南德斯等分析了深度学习技术的可能性，即使在高度复杂的机械结构的情况下，也可以近似模拟水下机器人的动力学模型。坎普曼等强调了对新传感器技术的需求，特别是利用一个早已在地面应用中建立的概念，并利用不同的模式集成起来进行更精确、更稳健、最终也更可靠的环境信息收集。
实际的水下场景中集成新型智能机器人的发展潜力
弗雷泽等探索了导航尤其是在受限空间中导航的可能性。与在开阔水域中的航行不同，在受限空间内航行需要概率统计的方法来对环境和系统动力学进行建模和预测，以便进行假设的自定位和环境地图的计算。概率统计方法的一个突出缺点是它们需要训练数据才能最终收敛到最优解。而在真实世界的实际测试中，无法有效地获取这些信息。因此，为了训练和优化系统在真实世界中的性能，一个可能的方法是采用特施纳等在第三部分“水下干预分析与训练仿真框架的研究”中提出的方法。这一篇文章针对水下干预探索了仿真框架的可能性，给出了现在可用的仿真模拟工具和方法。
无论我们在现实或模拟场景中进行多少训练，最终当将这些新型系统应用到海洋科学或海洋产业场景时，都需要一个验证协议来描述并在一定程度上保证系统的功能。吕特等关注了这个问题，探索新的和现有的技术来证明水下机器人系统的软件和硬件的正确性。毕竟，在水下环境中应用智能机器人时，人们不能也不想真正替换人工操作者。
实际上，这些新系统将成为人工操作者的扩展工具，或将帮助他们提高所做工作的质量，或让他们做到目前无法做到的事情，或者以更少的或是没有破坏性干预的方式做一些已经在做的事情，最终它将使人工操作者能够收集到更多关于这个脆弱而又艰苦和恶劣的水下环境的信息。无论在任何情况下，人类和机器人都需要进行有效的交互，这也是基希纳等在描述关于与水下机器人系统交互的创新性技术时所关注的重点。