0 引　言

世界上90%面积的海洋水深超过1000 m，深海是对科学研究和资源开发均具有战略意义的处女地。在深海生物、地质、物理海洋等诸多领域存在大量尚未触及的、研究价值极大的科学问题亟待发现、探索和解决^[1-2]。

深海极端复杂的环境条件致使深海观测与研究开发技术难度远远大于陆域。目前深海原位长周期观测、深海原位取样实验是制约深海资源开发利用的薄弱环节和瓶颈问题，如获取深海样品后，航行数千里带回实验室研究，耗时长，航行中样品微环境容易遭到破坏，样品很难实现全程“无缝”转移，采集上岸的样品测定参数不准确、深海取样手段多为“粗放型”等。最好的解决方式是充分利用深海“载人”平台有选择性的观测、任务规划、判断决策和应急处置等优势，让科学家亲临深海，利用深海环境条件，开展原位观测、现场取样和实验研究，从而全面掌握深海真实、动态的客观规律。本文对深海原位研究装备的应用需求、技术现状及发展方向进行梳理和总结。

1 应用需求

深海载人原位研究装备可为深海典型生态系统原位长周期连续观测、深海样品保真取样、深海原位培养与实验等深海资源研究、开发和利用提供前所未有的先进手段。

1）深海典型生态系统原位长周期连续观测

深海中大部分的区域压力大、食物少，没有光线等，是营养匮乏的“荒漠”，在这个广袤的荒漠中，也存在一些“生命绿洲”，如深海热液区、深海冷泉区、深海冷水珊瑚区、海山区、深渊区等特殊的生态系统，这些生态系统具有与海洋上层不同的生物种类、生物群落和生态关联方式，具有重要的生态研究价值^[3]。

深海典型生态系统，是由于其自身特殊性质引起海底地形、物理化学因子的变化，进而影响海洋动力、热力等过程而孕育出来的独特的生态群落^[3]。研究深海典型生态系统的发育动力机制及其发育周期和特征，探究影响深海典型生态系统发育的作用机制和影响因素，需要定点、长周期连续观测装备，为基础科研提供准确的数据。

2）深海样品保真取样

深海高质样品的获取、有效保藏和转移是从事深海科学研究与资源开发的重要需求之一。深海环境条件主要包括物理环境条件和化学环境条件两大类，其中物理环境条件包含压力、温度、电导率等，化学环境条件包含pH值、营养盐、甲烷、硫化氢、氨气等成分和浓度。

深海样品从深海环境转移至陆地实验室的过程中，样品很难实现全程“无缝”转移，一旦脱离深海的原始环境极有可能导致样品活性降低、性质变异。例如在使用传统取样设备采集海底天然气水合物及其上覆沉积物时，由于其不能保压保温取样、造成沉积物样品中甲烷以及其他气相溶解组分由于压力、温度等条件的变化而散失，沉积物的原始成分与状态难以得到准确的反映。因此，随着海洋科学研究的要求，必须拥有适当的技术手段和装备，以获得原状（低扰动、保压、保温）海底沉积物样品^[4]。

3）深海原位培养与实验

人工培养与实验是深海生物资源开发利用的重要环节。随着研究的深入，发现深海不同环境中的营养盐浓度和成分对分离培养的效率具有更关键的影响。但由于缺乏相应的环境参数监测手段，对营养盐浓度的模拟更多地建立在推测的基础上，更难以进行成分的模拟。因此，进行深海原位实验研究是国际上发展的趋势^[5]。利用深海载人原位实验研究装备进行深海原位培养与实验是解决上述问题的最佳途径。通过深海载人原位实验研究装备，科学家可以开展各种原位实验，对样品进行深海原位培养，在其过程中即时获取实验数据，并根据数据的变化进行后续实验的设计和操作。

2 技术现状

近年来，针对深海载人原位观测与研究开发等方面科学研究需求，世界上各海洋强国逐步建立及完善了深海载人原位研究技术及装备体系。多种水下实验室、载人潜水器、深海移动工作站等已被国内外海洋研究机构用于深海载人原位科学研究和探测。

2.1 水下实验室

海底实验室是固定在海底或漂浮于水下一定深度供科学家和潜水员休息、居住和工作的海底科学研究平台。目前运行的水下实验室主要是运用饱和潜水技术原理设计，在水下有效完成海洋地质、海洋生态、海洋污染、海洋考古、湖沼或海洋药物研究、海洋救助及打捞研究等海洋科学研究的现代化装置。

1）“宝瓶宫”水下实验室

该实验室建于1986年，隶属于美国国家海洋与大气管理局（NOAA），位于佛罗里达群岛国家海洋保护区深水珊瑚礁附近的水面以下20 m左右，如图1所示^[6]。“宝瓶宫”实验室的尺寸与国际太空空间站大小相当，实验室通过线缆与水面实验室控制中心相连，线缆可以提供电源和通信保障。实验室包括生活区和实验区，生活区有6张床铺、空调等生活保障设施，还有一个配有热水器、微波炉和冰箱的小型厨房。通过饱和潜水技术，科学家潜水员可长期连续每天24 h在水下生活和工作。

“宝瓶宫”水下实验室主要参数如表1所示。实验室可以在水下不受水面风浪环境、特别是天气状况的影响开展海底原位科学研究和实验，主要功能为研究气候变化和海洋污染对珊瑚礁、鱼类、水生植物海洋生态的影响，同时实验室可以开展饱和潜水技术训练，研究饱和潜水人员在海底生活的各种生理变化。后期，实验室经过改造可以在海底模拟太空生活，演练太空行走、出舱执行维修、作业任务等^[7]。

2）“黑海”号水下实验室

“黑海”号水下实验室是由苏联科学院希尔绍夫海洋研究所设计建造的海底固定式载人实验室，由水下实验室、漂浮基地、岸上观通站组成。水下实验室内部空间分为休息区、工作区、潜水区3个主要功能区域。休息区布置有人员休息的吊床，吃饭用的折叠桌和存放个人物品的柜子，工作区布置有2个实验桌用于舱外采集样品进舱原位分析研究，3个仪表盘用于监测舱内环境状况，潜水区布置存放潜水设备用的架子和维修装备的工作台。实验室生命支持系统由氧气生成系统、二氧化碳吸收系统、通风系统、保暖系统、干燥系统等组成^[8-9]。

“黑海”号水下实验室的主要参数如表2所示。

“黑海”号水下实验室主要功能为在水下进行原位长期综合性海洋调查，科学家在水下实验室内通过直接观测或者利用各种监测仪器进行海洋地质学、海洋生物学、水下光学和水下物理学等方面的长周期连续观测与实验活动^[10]。

3）“赫尔戈兰”水下实验室

“赫尔戈兰”（Helgoland）水下实验室1968年建于德国，工作于赫尔戈兰岛附近的北海，如图2所示。实验室内部划分为休息区、实验区和工作区，实验室内备有充足的补给品，可以在不依赖外界补给的情况下能够保持至少14 天的人员自持能力。实验室可以不需要辅助起重设施的帮助下自主下潜和上浮，并且能够在水面异常气候环境下在水下正常运行^[11-12]。

“赫尔戈兰”水下实验室主要参数如表3所示。水下实验室的设计初衷是为了水下海洋医学研究及北海海洋生物研究，在后续的使用中不断扩大实验室的海洋生物研究计划。实验室在饱和潜水减压方面的研究为世界饱和潜水技术的进步做出了极大的贡献，水下实验室研究了舱内空气压力不断增大的情况下，不同气体组分对人体心理、生理机能的影响，这些研究对于指导潜水员进行饱和潜水训练具有很好的指导意义^[13]。

2.2 载人潜水器

载人潜水器是指可以携带海洋科学家进入海洋深处执行水下作业与观察任务的潜水装置。载人潜水器可以在海底现场直接观察、分析和评估作业对象，还可以操纵机械手进行水下取样。载人潜水器是科学家亲临深海进行原位科学考察的重要装备^[14]。

1）“蛟龙”号载人潜水器

“蛟龙”号载人潜水器是我国自主设计、自主集成的深海载人潜水器，为深海科学研究取得重要发现和进展提供了装备支撑，如图3所示。2012年6月“蛟龙”号海试最大下潜深度达到7062 m，创造了作业型深海载人潜水器的最大潜深记录^[15]。

“蛟龙”号载人潜水器主要参数如表4所示。“蛟龙”号主要使命任务为携带科学家进入深海复杂地形（热液喷口、海山、洋脊、盆地）执行海洋生物、海洋地质、海洋地球环境、海洋物理化学等科学考察任务，实施深海典型环境沉积物定点取样操作，进行深海矿产资源勘查采样操作等海洋开发研究工作^[16]。

2）“阿尔文”号载人潜水器

“阿尔文”（Alvin）号载人潜水器为美国1964年建造，服务于美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI），1974年经过换装之后最大潜深可达4500 m，2012年又进行一次改造，耐压壳体最大承压深度可达到6500 m，如图4所示。“阿尔文”号从建造完成至今是世界上使用效率最高的深海载人潜水器^[17]。

“阿尔文”号载人潜水器主要参数如表5所示。“阿尔文”号主要功能为进行深海生物、地质、地球物理、地球化学等方面研究。在其从事作业任务50多年来，进行过很多具有国际影响力深海原位探测作业。例如，1977年在2500 m海底深处首次发现深海热液及其周围生物群落，1979年首次发现海底黑烟囱。“阿尔文”号载人潜水器的应用为深海科学研究做出了卓越贡献^[18]。

2.3 深海移动工作站

深海移动工作站为满足水下长时间大功率探测、作业需求而研制的水下载人平台。深海移动工作站通过配置先进的声、光、电磁探测仪器及多功能作业机械手、起吊布放装置等载荷进行水下特种作业、物理海洋调查研究等工作。

1）NR-1深海移动工作站

美国早在20世纪70年代就装备了潜深914.4 m、排水量372 t的NR-1型深海移动式工作平台，如图5所示。NR-1自持力30 d、最大载员13人，采用核动力装置，主要用于完成深海科学研究、深海特种作业等水下任务^[19]。

NR-1于2008年11月退役后，美国论证研制功能全面提升的NR-2深海工作站，提出了潜深914.4～1524 m、排水量828～2062 t的NR-2深海载人平台的方案，其任务使命更为广泛。

2）10831型深海移动工作站

10831型深海移动工作站是俄罗斯新型核动力移动工作站，服役于2003年。其耐压壳体采用钛合金建造，由数个球壳串联组成，所有球壳相互之间有通道相连，工作潜深3000 m^[20]。该型工作站因耐压结构型式酷似俄罗斯动画片“小马驹”中的主角，因而获得了“小马驹”的昵称，如图6所示。

10831型深海移动工作站主要参数如表7所示。10831型深海移动工作站使命任务为深海能源资源调查、国土权益保障、海洋环保科研及水下特种作业等。据《消息报》报道，10831型深海移动工作站参与了2012年9月底进行的“北极-2012”研究考察。在长达20昼夜的水下考察作业中，“小马驹”在北冰洋门捷列夫大陆架上开展了大量的水下作业，在2500～3000 m深度获得了大量地质资料，通过深海钻探获取了3块长度分别为60 cm，30 cm和20 cm的岩心样本，以及重达500 kg的深海矿石和泥土样本^[19]。这些科考结果直接、有效地支撑了俄罗斯对莱蒙诺索夫和门捷列夫山脊等北极海底地区领土主权所有权的主张。

3 发展方向

随着新材料、新技术的不断发展和变革，不同形式的深海载人原位研究装备（水下实验室、载人潜水器、深海移动工作站）将呈现出不同的发展趋势和发展方向。

3.1 水下实验室

水下实验室为固定式深海载人原位研究装备。目前世界上已建和运行的水下实验室潜深均在300m以内，实验室是运用饱和潜水技术原理设计，舱内气压与所处深度水压力相同，人员可以通过闸室自由进出实验室，实验室的呼吸气体、淡水、食物、电力等均是通过“脐带”补给供应。随着新技术和新装备的应用和发展，水下实验室将呈现以下几个趋势：

1）大潜深、长自持力。世界上90%面积的海洋水深超过1000 m，典型的海洋的生态系统，例如冷泉、热液等也都存在于1000 m以上的海洋深处。钛合金、陶瓷材料、碳纤维复合材料等深海高强度耐压材料的应用，可为水下实验室人员和设备在深海提供常压的工作环境。大容量电池技术和水下密闭空间环控生保技术的发展为科学家在深海长时间驻留进行长周期观测、实验作业提供了可能。

2）有人、无人协同作业。固定式水下实验室通常仅能满足在点域内进行观察和采样作业，通过搭载ROV，AUV等无人研究系统，协同开展取样、样品分析和原位实验研究可以有效地拓展固定式水下实验室的观测和取样范围。

3.2 载人潜水器

载人潜水器一般为小型化的深海载人原位研究装备，载人潜水器发展方向将呈现以下几个方面：

1）小型化的载人潜水器耐压结构为承受更大深度的海水压力提供了可能。海洋深度范围6000～11000 m的“海斗深渊”海洋生态学、海洋地质学研究是目前国际海洋科学的研究前沿。因此，挑战和探索全海深，拓展人类认知海洋、开发海洋的范围是载人潜水器的一个重要发展方向^[21]。

2）载人潜水器的深海作业方式主要是依靠机械手、探测传感器、取样器、生物捕捉器等作业工具实现。由于载人潜水器本身排水量较小，其单个潜次的作业能力比较有限。随着载人潜水器作业任务类型的不断拓展，为提高载人潜水器作业适应性和通用性，潜器作业工具负载模块化技术将作为未来的重要发展方向。随着作业功能模块化技术的应用，载人潜器可根据不同的作业任务，选择装备不同的作业工具模块，不仅增强了载人潜水器的多功能性、多用途性，而且提高了潜器的利用率的费效比^[22]。

3.3 深海移动工作站

深海移动工作站属于大型化的深海载人原位研究装备，其具备较强的负载能力和大深度进入深海并长时间驻留的能力。深海移动工作站的发展方向将呈现以下特点：

1）深海移动工作站水下作业人员适居性提升。深海移动工作站水下作业任务时间长，长期昼夜节律变化会导致失眠、生物钟紊乱，进而使得作业人员情绪低落、身心疲劳等，对人员作业能力的发挥造成严重的影响。因此，提高深海移动工作站的适居性水平是大势所趋，对于提高深海移动工作站作业人员的工作效率和延长水下驻留时间起到非常重要的作用^[23]。

2）深海智能探测作业技术。深海移动工作站相较于水下实验室和载人潜水器具有水下大范围走航式探测作业的能力。随着以深度学习、大数据等为代表的人工智能技术的发展，深海移动工作站基于信息融合的分布式智能探测作业技术将得到发展^[24]。深海智能探测作业技术将感知、处理、学习和反应密切结合，形成基于知识反馈信息融合的探测与作业架构和处理形式，为深海原位探测作业研究提供了新的思路和方法^[25]。

4 结　语

深海载人原位研究装备是人类“深海进入、深海探测、深海开发”必不可少的手段。我国虽然在深海载人原位研究装备上面起步较晚，随着“蛟龙”号、“深海勇士”号和11000 m全海深载人潜水器的研制和应用，目前已经达到世界领先水平。随着新材料、新技术的不断发展，深海载人原位研究装备将进入一个崭新的发展阶段，适合未来海洋科学考察研究的高效能深海载人原位研究装备将继续扮演重要的角色。