在南海某海域的清晨，一台直径约70厘米的仿生水下机器人正以流畅的弧线潜入水中。它紧贴海底游动，与珊瑚礁的距离仅有几厘米，周围沉积物几乎未被扰动。当鱼群突然掠过时，机器人灵活地调整姿态，从礁石缝隙间穿梭而过，宛如一只自由游弋的海底精灵。
这款名为“海龟”的敏捷型水下机器人由哈尔滨工程大学船舶与工程学院王刚教授团队研发。它不仅实现了近海底观测的厘米级精度，更以灵动的运动方式打破了传统水下机器人“笨拙”的固有印象，为水下探测领域开辟了新的可能。
研发团队的创新灵感源自海洋生物的智慧。在一次学术交流中，王刚教授注意到传统底栖机器人存在两大缺陷：螺旋桨搅动泥沙会破坏海底生态，且地形适应能力较弱。而全球珊瑚礁正以惊人速度退化，潜水员每年仅有两次观测窗口，且无法触及深水区，传统水下机器人的观测效果也难以满足需求。
经过对数十种海底动物的研究，团队从海龟的推进方式中获得启发。“海龟通过倾斜拍动前肢实现高效推进，同时减少水体扰动。”团队成员刘开鑫介绍道。然而，将这一生物特性转化为技术方案并非易事。
在设计过程中，团队发现机器人的形状和推进器布局会直接影响其上升速度，但缺乏可借鉴的先例。为此，他们运用数学方法建立模型，探究机器人、推力和速度之间的内在关系。“这个模型不仅为珊瑚观测机器人提供了量化依据，也为其他类似需求的水下机器人研发提供了参考。”王刚教授解释说。
经过半年多的反复试验，团队最终推导出机器人低扰动航行性能与推进器布局、外形参数之间的数学公式。这一成果使研发人员能够在设计初期预测机器人的低扰动性能，无需反复进行实际试验，大大提高了研发效率。
对比试验显示，传统水下机器人靠近海底时会激起半米高的泥沙云，而“海龟”机器人凭借精准布局的推进器，航行时几乎不泛起涟漪，沉积物干扰降低了90%。这一突破让国际同行惊叹：水下观测原来可以如此“温柔”。
除了低扰动特性，“海龟”机器人还具备超强的稳定性。传统水下机器人需保持一定高度航行，而“海龟”需贴近海底工作，距离珊瑚不超过1米，以便准确捕捉颜色细节。这要求机器人具备超高灵敏度，能够瞬时调整姿态。
“就像站在圆球上保持平衡一样，机器人需要感知姿态变化并瞬时调整。”王刚教授比喻道。团队通过创新“三点惯性测量感知方法”，将测试点移至机器人两端，用半径乘以切向加速度直接获得角加速度。这一方法使数据噪声降低了约76.2%，响应时间缩短了1.1倍，倾角控制的稳定性提升了7.16倍。
在载荷实验中，“海龟”机器人面对4公斤的冲击载荷时，能够瞬时向上倾斜以补偿失位情况，无论是冲击载荷还是连续载荷，都能在0.45秒内完成姿态修正。
为了使机器人在复杂海底地形中灵活穿梭，团队在跟踪算法中引入了姿态约束算法，将航行器姿态与环境碰撞关系深度融合。这一创新使机器人能够实现360度自由调整姿态，大大提高了敏捷性。
在实海测试中，科研人员设置了一个宽度1米、高度0.8米的异形框架，让“海龟”机器人完成打结任务。对于宽度仅0.93米的机器人来说，这是一项极限挑战。然而，“海龟”机器人仅用3分钟就完成了任务，展现了其卓越的机动能力。
行业专家对这款“国际首台敏捷型”水下机器人给予高度评价。他们认为，“海龟”机器人不仅能用于珊瑚观测，还能在水下捕捞、搜救等领域发挥重要作用。目前，团队正在为机器人增添更多功能，如搭载微距摄像头捕捉珊瑚虫的呼吸动作，配备机械臂实现定点驻留观测，使其成为一个“海底监控站”。
