向海而興，背海則衰。

對于這顆星球上的蔚藍之色，人類無比敬畏，也充滿好奇。千百年來，總有那么一小撮勇敢者，想盡一切辦法潛入海底深淵探險。

崔維成是其中一位。

他曾任“蛟龍”號總體與集成項目負責人、第一副總設計師，曾于2012年搭乘“蛟龍”號在馬里亞納海溝下到7035米的海底，親眼見證過荒蕪的深淵。加入西湖大學后，他作為深海技術講席教授，帶領團隊開拓第三代仿生智能機器魚型潛水器。

“若要在潛水器領域繼續保持國際領先，必須邁出這一步。”他說。

與崔維成并肩的，是工學院的另一位PI（特聘研究員、博導）范迪夏。這個剛剛從麻省理工學院回國的年輕科學家，聚焦實驗流體力學和多棲仿生機器人的研究，比崔維成小27歲。

一老一少兩個團隊，在深海探險這件事上，有著同樣高漲的興趣。在他們的推動下——

2021年6月，“深海仿生型潛水器研發與產業化應用”項目正式立項。

2022年11月，首臺自主研發的2000米級仿生魚型無人潛水器樣機在西湖大學云谷校區誕生，取名“西谷I號”。

2023年4月18——27日，“西谷I號”搭載“珠海云”科考船，在中國南海順利完成了2000米級海上試驗。

南海海試現場

“珠海云”號科考船回收“西谷I號”潛水器

此次南海實驗，是世界范圍內采用仿生結構驅動的潛水器在2000米深度的首次成功嘗試，也標志著“西谷I號”成為目前深度最大，且真正具有深海作業能力的新一代仿生型潛水器樣機。

“西谷I號”是如何做到的？崔維成與范迪夏團隊，在廣袤無垠的海洋“實驗室”里，完成了一場怎樣的實驗？

師法自然，目標鎖定蝠鲼魚

大自然是最好的老師。

魚，是海洋的“原住民”，遨游深海是它們最基礎的本事。但只是長得像魚還不夠，在“西谷I號”設計之初，崔維成團隊想做兩件沒人做過的事：

一是要做一條全仿生設計的魚型潛水器，模仿真實魚類，以胸鰭的擺動提供動力往前游。也就是說，潛水器的前進后退不再依靠傳統的螺旋槳推進，而是完全由模仿胸鰭的側翼煽動來實現。二是這條仿生魚要具備實際應用能力，它不僅僅只是去深海里游一圈，還應該能夠實現作業功能。也就是說，仿生魚要能夠懸停在海中，或坐底在海底，然后完成指定作業任務。

這些，是此前國內外潛水器都沒能同時解決的難題。

研發團隊早早地將仿生對象確定為蝠鲼魚。蝠鲼魚又名魔鬼魚，扁扁的身體像一個大毯子，胸鰭肥厚如翼，尾巴細長如鞭。

身型扁平、行動靈活的蝠鲼魚

如此特別的身型若能“嫁接”到仿生魚潛水器身上，想必能夠解決不少重要問題——扁平的身體帶來敏捷的行動能力，游動效率有了保證；同時，這里還是一個理想的設備平臺，扁平加上低重心的特點，讓仿生魚的“底盤”更穩，即便搭載很多設備也相對不容易傾覆。

就是這樣，對自然最好的探險，便是成為自然本身。

仿生魚潛水器的另一個優勢，是把人類探索深海的“打擾”降到最低。像魚一樣，體型小巧，以“鰭”前行，仿生魚潛水器產生的噪音和對水的擾動，遠小于此前螺旋槳驅動的潛水器，可以勝任對生態環境保護要求較高的生態觀測、取樣、檢測等工作。

問題來了：如何實現第一個研制目標，讓潛水器以純仿生的方式驅動，靠“魚鰭”游起來？

這是研制過程中，研究團隊遇到的最大難題。

從零開始，為潛水器配“鰭”

仿生魚的側翼，是整個潛水器模仿魚鰭“游”起來的關鍵。

以“蛟龍號”和“奮斗者號”為代表，我國的第二代潛水器采用的是傳統的螺旋槳驅動推進，其技術應用已經非常成熟，甚至達到國際領先水平。

即便如此，研究團隊這一次想要的仿生設計，依然沒有多少先例可循——沒有多少參考文獻和技術解決方案，沒有可以學習的成品化裝備，連零部件的供貨商都很難找。“項目之初我們面臨非常多的挑戰，對于全新的仿生驅動設計也難免心存忐忑。”崔維成實驗室助理研究員、“西谷I號”總設計師李偉琨說。

但是，基礎科研本身就是不斷在“無人區”探索。崔維成曾全程參與過“蛟龍號”項目研制，不止一次經歷過這種“第一次”的挑戰，具備豐富的深海裝備研制經驗；范迪夏的工程經驗在年輕PI中也很突出。在兩位導師的幫助下，研制團隊從零開始自主設計。

從最簡單的小魚到蝠鲼魚，團隊圍繞真實魚類的魚鰭，原創了“剛柔并濟”的多層復合結構。

“西谷I號”俯視效果圖

上圖可以很清晰地看到“西谷I號”的一對側翼。面積較小的黑色部分是剛性板，能提供足夠的耐壓能力，保證仿生魚側翼在深海里的正常運動；而面積較大的黃色部分則是非常重要的柔性板，是仿生魚產生動力的結構基礎。側翼擺動過程中，通過在水中形成的漩渦產生向前推進的動力，實現潛水器的自主前進。

柔性材料在水中擺動后形成的渦流示意圖

橙色與黃色兩部分“拼”在一起，正好給仿生魚潛水器安上了一對“鰭”。

別看這對“鰭”看起來普普通通，但其中注入的研發精力和科技含量卻一點都不簡單。

材料的選擇是最關鍵的。柔性板部分，團隊成員在眾多材料中選擇了高密度聚乙烯（HDPE），這是一種柔軟而堅韌、耐腐蝕性好且能耐受大范圍溫差的塑料材料；至于剛性板，鋁合金略勝一籌，讓潛水器有更高強度且更輕量化，同時還能抵抗海水的腐蝕。

這兩種不同的材料要怎么組合，才能賦予它“鰭”的功能呢？厚度、長度、形狀、剛柔兩種材料的面積占比……任何一個參數的變化，都可能對側翼的推力產生影響，比如剛性比例過低或過高時推力都會下降。團隊成員測試了多種參數組合產生的推力，試圖找到理論上的最佳組合；同時考慮到深海環境中的可實現性和可操作性，最終選出了目前的組合方式。

在這個框架下，研制團隊歷時兩年，進行了一系列流體結構相互作用、集成強化學習和深度學習等研究，并自主設計了包括智能實時控制、低延遲光通訊、電源管理、動態故障檢測等配套軟件系統，為潛水器在復雜水下環境中的可靠運行提供了保障。

無數次計算和調試，無數次試驗和修改，純仿生設計的仿生魚潛水器“西谷I號”終于在他們的實驗室里誕生了。

在進行水池試驗的“西谷I號”

即插即用，極具想象力的“魚肚”

側翼的設計，解決了團隊想完成的第一項創新——仿生。至于第二項——在水下具備多種形式的深海作業能力，同樣是前所未有的挑戰。

“在海底作業的前提是在海底停下來，目前‘西谷I號’已經具備了這個基礎能力，之后按照實際需要在‘魚肚子’上直接搭載實驗或作業設備即可。”李偉琨介紹，“假設要開展海底采樣，可以接入機械臂、采樣籃，我們為此預留好了電源線和通訊線，即插即用。”

“西谷I號”的“肚子”就像一個強大的拓展塢，可以接入各種各樣的實驗設備，擴展它作為一條“魚”的能力。暢想未來，“西谷I號”還有更多的潛力有待挖掘。

自然資源方面，它可以輔助完成海下勘探等工作，也可以配備聲吶成像測掃設備，以更靈活、成本更低的方式描繪海底的地形地貌；生態保護方面，它可以完成珊瑚礁觀測、生態修復工作的前期勘探；工程方面，它可以完成水下管道巡檢等檢修維護工作……

回到“西谷I號”本身，那兩件沒人做過的事，研究團隊現在做到了，接下來想要做得更好。

第一件事，怎么才能像魚一樣游得更自然、更自在？怎么才能游向更深的深海？第二件事，有沒有可能從一條魚變成一群魚，有沒有可能從淺海到深海、再到更深的海溝，實現多層次、立體化的海下作業。

“大魚”入海，2000米海試成功

2023年4月18日，南海天氣晴好。

崔維成和他的團隊成員搭乘“珠海云”科考船，開啟了“西谷I號”的首次2000米級海上試驗。

控制室里，所有人都屏息凝神地盯著控制室屏幕，等待仿生魚一點一點下潛。

第一次下潛，失敗。團隊經驗不足，加上海上天氣突變，試驗結束后，幾乎所有人都吐了。

第二次、第三次、第四次，都算不上完美。

直到第五次下潛，“西谷I號”終于在深海2036米成功坐底，并自動采集、回傳數據。

南海海試現場，西谷I號第5潛次布放前進行安全檢查

之后，“西谷I號”又一次順利下潛到2022米，并完成了與中繼器分離、在海底的仿生驅動巡航、成功回收等任務。

跟隨潛水器控制界面錄屏，感受一下深度突破2000米的瞬間

“西谷I號”采用了自主化設計，具有完整的知識產權，其制造、維護成本遠低于當前常見的深海潛水器。兩次完整作業深度超過2000米，標志著西湖大學仿生魚研制團隊具備了研發實際產品的能力，為未來深入研究和產品開發奠定基礎。

值得一提的是，崔維成和范迪夏都沒有擔任“西谷I號”的總設計師，僅作為“指導員”參與項目，整個研制團隊是一群人均95后的“新人”。

團隊的6位腦力擔當是西湖大學在讀博士研究生，他們中的大部分人沒有出海經驗，很多東西都是加入團隊后才開始學習的。“西谷I號”副總設計師，崔維成實驗室博士生劉啟蒙說，學院和學校是他們堅實的后盾，給了他們創新和試錯的勇氣。

2023年4月，南海海試成員合影

左起：王章源、李偉琨、孫博愛、崔維成、劉啟蒙、陳林柯、胡志洋

從2021年6月獲廣東省海洋六大產業立項，到2023年4月海試，“西谷I號”經歷了完整的方案規劃、詳細設計、設備和系統的壓力筒驗收、總裝聯調、水池試驗、千島湖試驗、專項檢測等工程實踐環節。

“西谷I號”的背后，是一群充滿好奇心的年輕人，在海洋中自由探索，于未知中尋找答案。

在他們眼里，再遙遠的深海，也總有一天能順利抵達。