上世紀(jì)70年代到90年代，我國(guó)首次對(duì)青藏高原地區(qū)進(jìn)行了綜合性科學(xué)考察，獲得了大量一手資料，填補(bǔ)了青藏高原研究的諸多空白。時(shí)隔40多年，我國(guó)再次啟動(dòng)為期約10年的青藏高原綜合科學(xué)考察研究，60多個(gè)專題科考分隊(duì)開展十大科考任務(wù)，涉及五大綜合考察區(qū)域。

為深入實(shí)施“科技助力青藏科考”，促進(jìn)青藏高原環(huán)境變化機(jī)理揭示，此次科考中加入了無(wú)人機(jī)、無(wú)人船和衛(wèi)星等新技術(shù)手段采集相關(guān)數(shù)據(jù)。據(jù)新華社9月21日?qǐng)?bào)道，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研制的“云雀飛行機(jī)器人”(以下簡(jiǎn)稱“云雀”)在青藏高原開展了高海拔冰川與湖泊智能化科考工作，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次機(jī)器人化高海拔環(huán)境科考。

機(jī)器人助拳 打退科考工作“攔路虎”

青藏高原擁有世界上最壯麗的雪山和冰川，同時(shí)也是生物多樣性最豐富的地區(qū)。但由于海拔高、氧氣稀薄、氣候惡劣多變、地勢(shì)險(xiǎn)峻、人跡罕至，尤其在極高海拔區(qū)，科考活動(dòng)難度大、危險(xiǎn)系數(shù)高，嚴(yán)重制約了高原科考全面深入持續(xù)開展。

與“有人化”相比，“無(wú)人化”科考在高海拔地區(qū)的優(yōu)勢(shì)較為突出，體能、體力不再成為惡劣環(huán)境下科考工作的“攔路虎”，科考效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性能得到大幅提升。

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人何玉慶說(shuō)，特別是在“無(wú)人區(qū)”，采用機(jī)器人代替科考人員開展相關(guān)科考工作，可以深入到危險(xiǎn)區(qū)域或人類難以抵達(dá)的區(qū)域，獲取更多“有人化”科考無(wú)法獲取的數(shù)據(jù)或樣本，大大提升了科考的空間尺度。

能抗七級(jí)風(fēng) 小飛機(jī)展示大力量

然而，高海拔地區(qū)惡劣的環(huán)境讓飛行機(jī)器人參與科考面臨著多重困難：空氣稀薄會(huì)使飛行機(jī)器人升力明顯降低，大風(fēng)將影響飛行機(jī)器人的穩(wěn)定飛行，冰川、湖泊、山地等多變地形則需要飛行機(jī)器人具備高度自主的飛行能力和仿地、避障等多種功能。

為了適應(yīng)高海拔環(huán)境，“云雀”突破了“稀薄大氣中的高效升力系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“高原強(qiáng)風(fēng)干擾下的自主控制”等多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了在稀薄空氣、強(qiáng)風(fēng)擾等極端環(huán)境下的飛行。它可以自主完成起降、定點(diǎn)/航跡飛行、仿地飛行、動(dòng)靜態(tài)障礙物規(guī)避等動(dòng)作，具備獨(dú)特的“高空垂直梯度數(shù)據(jù)連續(xù)準(zhǔn)靜態(tài)觀測(cè)”能力。

“它身高58厘米，體長(zhǎng)138厘米，能抵御7級(jí)大風(fēng)，可攜帶5公斤科考載荷，其自主作業(yè)能力可覆蓋青藏高原所有野外科考站和絕大部分冰川區(qū)，具備在海拔6000米高度飛行近30分鐘的綜合能力。”何玉慶說(shuō)，“云雀”執(zhí)行了多項(xiàng)科考任務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中充分驗(yàn)證了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)和自主作業(yè)能力。

海拔6000米 “云雀”采集多項(xiàng)數(shù)據(jù)

冰川表面溫度是冰川動(dòng)力學(xué)模型中非常重要的參數(shù)，可以反映出冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)，其準(zhǔn)確性會(huì)直接影響冰川運(yùn)動(dòng)和氣候變化的模擬及預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)我國(guó)東部、西南部氣候變化，以及北半球氣候具有巨大的影響，甚至對(duì)全球氣候變化也有明顯的敏感性、超前性和調(diào)節(jié)性。

廓瓊崗日冰川集冰川、湖泊、草甸于一體，地形復(fù)雜多變，“云雀”通過冰面溫度熱紅外影像監(jiān)測(cè)和冰川三維地形勘測(cè)與建模，可助力科研人員獲取冰川的面積、厚度、冰儲(chǔ)量等數(shù)據(jù)，這對(duì)全球水資源和氣候變化、災(zāi)害預(yù)警等方面具有重要意義。

在廓瓊崗日冰川高空大氣溫濕壓與黑碳通量垂直廓線監(jiān)測(cè)工作中，“云雀”采集的數(shù)據(jù)可以剖析青藏高原典型冰川和積雪區(qū)吸光性雜質(zhì)(黑碳)的含量分布及其對(duì)反照率的影響，并對(duì)冰川和積雪消融的貢獻(xiàn)量進(jìn)行評(píng)估。

納木錯(cuò)湖風(fēng)景秀麗，湖水清澈，是我國(guó)第二大咸水湖和世界上海拔最高的湖泊。在海拔4730米的納木錯(cuò)湖區(qū)，“云雀”通過對(duì)高原湖泊深部水體樣品自動(dòng)化采集和湖水溫度垂直剖面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析高原湖泊的水質(zhì)、礦鹽物質(zhì)的時(shí)空變化情況，評(píng)估了區(qū)域氣候變化對(duì)冰雪融水、區(qū)域降水以及水生物等的影響。

為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)第二次青藏科考向無(wú)人化、立體化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，適應(yīng)大尺度、高時(shí)空密度的科考需求，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)提升機(jī)器人抵御極端惡劣環(huán)境的能力，進(jìn)一步探索并突破空地、空水機(jī)器人互聯(lián)協(xié)作技術(shù)，構(gòu)建起由空中、地面、水面、水下機(jī)器人組成的立體化智能科考裝備體系，持續(xù)推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于更廣泛的高海拔科考任務(wù)。(郝曉明)