2月4日，北京冬奥会在国家体育场“鸟巢”举行开幕式，当主火炬随着“大雪花”造型的火炬台缓缓升起时，现场发出阵阵惊叹。此前，2月2日至4日，冬奥会火炬已在北京、延庆、张家口三个赛区进行传递，给人留下难忘的时刻。这其中就包括在北京冬奥公园，两名特殊“火炬手”共同完成的奥运史上首次机器人水下火炬传递。
水下传递的创意是如何产生的？两名机器人“火炬手”是如何研制出的？日前，项目团队科研人员、来自广东智能无人系统研究院的刘鑫宇博士接受了南方日报记者专访。
创意
火炬传递、冰雪运动
融入科技元素
2月2日，在北京冬奥公园，当水下变结构机器人“手持”燃烧的火炬浮出水面时，现场爆发出热烈掌声。此时，刘鑫宇和团队其他同事终于松了一口气。“机器人每走一步，我们都屏气凝神，非常紧张，就像在看自己的孩子一样。”他说。
由广州市、南沙区和中国科学院沈阳自动化研究所共建的广东智能无人系统研究院成立于2019年，是专注于无人系统技术创新和发展的新型研发机构。去年4月，研究院加入国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项。在该专项支持下，由中科院沈阳自动化研究所牵头，北京动力机械研究所、广东智能无人系统研究院等单位联合开展了水下传递火炬机器人的研发。
刘鑫宇介绍，多机器人跨域火炬传递的创意最初是由中科院沈阳自动化所副所长、广东智能无人系统研究院副院长李硕提出的，而水下火炬传递是其中最精彩的部分。
“火炬接力是奥运会不可缺少的环节，将机器人技术与火炬接力相结合，体现着人类科技、文明与智慧的进步，更能彰显‘科技奥运’的内涵，更能将奥林匹克的格言‘更快、更高、更强——更团结’与机器人未来的发展紧密融合。”李硕介绍，中科院沈阳自动化研究所在机器人研究方面处于国内领先水平，基于多年的技术积累，团队提出了“多机器人跨域火炬传递”方案，实现空中、地面、水下和冰雪面等机器人间的跨域传递，将火炬接力、冰雪运动与科技元素相结合，不仅可以展示我国在机器人领域的技术实力，还可以在冬奥会的舞台上将科技的火种传递给青少年。
研发
攻坚克难
冰面上搭起试验帐篷
去年6月，研发项目正式启动，此时距离冬奥会开幕仅剩下大约8个月。“这段时间不仅要完成研发和加工，还要预留足够的时间进行排练，时间是非常紧张的。”刘鑫宇说。
最让刘鑫宇难忘的，是团队转场辽宁，在冰面上搭建试验帐篷进行测试的那段经历。元旦前夕，机器人加工顺利完成，火炬传递日期临近，需要马上进行可靠性测试。但当时北京的湖面才刚开始结冰，测试条件受到限制。怎么办？团队在紧急协商后，马上转移至辽宁抚顺的大伙房水库，在冰面上搭建起帐篷进行试验。
“那里温度更低，冰很厚，我们克服巨大挑战，首次实现冰下的火炬接力成功，团队兴奋不已。”刘鑫宇说。然而，在回到北京冬奥公园测试时，却发现由于冰层较薄，机器人喷出的水流竟将冰融化了，这就对机器人在冰面的行进造成严重干扰。
为解决这一难题，团队又设计出新的传递方案，加紧搭建了固定在浮台上的入水洞口和跑道。“为完成新方案的测试，大家站在冰水中顶着寒风固定跑道，这种感觉终身难忘。”刘鑫宇说。
攻关
跨越“防水”“补氧”
多种技术难关
“冰下开展机器人与机器人的精准对接与水下点火，既是机器人跨域火炬传递最大的亮点，也是最大的难点，其难度堪比太空舱对接。”“科技冬奥”重点专项“多机器人跨域火炬传递技术研究与系统示范应用”项目负责人田启岩博士在接受媒体采访时说。
难点之一，是如何让火在水下燃烧。据了解，“防水”和“补氧”是两个最重要的因素。“防水”，即保护点火源，火种被放置在一个“筒”状的“空腔”中，燃烧的火焰周围包裹了一层“气膜”一样的气动防水罩，给火制造“无水环境”；而“补氧”则是克服水下氧气不足，火炬燃烧器自带助燃剂，为奥运圣火燃烧补充足够的氧气。
刘鑫宇介绍，用于传递的特种火炬是由项目团队中的中国航天科工31所研制的。“科研人员在机器人里布置了很多特殊的气瓶、管路和电子控制设备，而广东智能无人系统研究院的任务，则是确保这些设备都能按照正确的流程在合适的时机开启或关闭，从而保证火炬在水下有足够温度和氧气维持燃烧。”他举例说，火炬从水面入水的那一刻，燃烧状态发生改变，只有做好控制系统的设计，才能防止火焰被水扑灭。
两型机器人在水下对接点火，是此次任务的另一大难点。
“水下环境复杂，传感器使用受限，难以实现较好的定位和通信。而火在水下点燃时，由于奥运圣火温度较高，会出现爆燃现象，很容易导致火被扑灭，因此，两个火炬要对接成功，必须要在1—2秒的时间里将控制精度限制在厘米范围内。”刘鑫宇介绍。此外，水流作用也给机器人的精准定位带来很大困难。为了破解这些难题，整个团队通力合作、协同攻关，共开展了近百次的测试，确保万无一失。
“元旦、除夕我们都坚守在科研岗位上，当看到我们的机器人最终站在火炬传递的舞台上，创造了奥运史上的‘首次’，我们的内心非常激动，感到一切付出都是值得的。”刘鑫宇说。
南方日报记者 卞德龙
