專題報導

14 科學發展　2015年 3月│ 507期科學發展　2015年 3月│ 507期

單元介紹對齊左邊

■ 宋祚忠、郭振華

您知道什麼是「水下機器人」嗎？為了在深海中能夠圓滿達成任務，

用了多少尖端科技來發展水下機器人？

您又可曾想像，在深海海底，水下機器人的工作環境又是如何呢？

2014年 3月 8日發生馬來西亞航空MH370班機失聯事件，為了能在黃金時間內找尋飛機的蹤跡，數十個國家提供了各

式高科技設備投入搜救行動。遺憾的是，

截至目前為止仍未確切找到飛機殘骸。環

顧搜救過程，從一開始運用高解析度衛星

影像找尋海下可能墜毀地點，到利用水下

聲學技術搜索失蹤客機的黑盒子從海中傳

出的脈衝訊號，以及使用美國海軍高科技

水下機器人「藍鰭 21（Bluefin 21）」搜尋飛機殘骸等策略，都屬於海洋科學與技術

應用的範疇。

水下機器人（underwater robotics）並不只是用在救難搜索方面，它早已運用在

海洋資源探測、海底地形測繪，以及海洋

工程結構的建構與維護上。

水下機器人 ─ 探索深海祕境的超級武器

水下機器人並不只是用在救難搜索方面，

它早已運用在海洋資源探測、海底地形測繪，以及海洋工程結構的建構與維護上。

在飛機墜海事件中，可以利用水下機器人代替人

類潛入深海尋找黑盒子。（圖片來源：種子發）

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身為 21世紀的海洋子民，讓我們一起來了解這些會影響我們以及後代子孫的新科

技產物，以及目前在我國的發展成果吧！

為什麼需要水下機器人

在還未發展機器人探索海洋之前，海

底管線、電纜破損斷裂時必須修補，或檢

查鑽油平台、港灣碼頭在海面下的基礎結

構是否安全穩固時，依靠的都是潛水人員。

這些潛水人員必須冒著危險潛入深海，執

行修補、檢查，甚至打撈的任務。

但隨著科技的進步，這些危險的任務已

漸漸轉由水下機器人執行，包括石油開採、

海底礦藏調查、水下搜尋與打撈作業，或檢

查海底管線、水下結構物、海底電纜、鑽油

平台、港灣碼頭等水下設施、軍事作戰，大

大減低了人員執行這些任務時所面臨的風險。

進入 21世紀，為滿足開發海洋、永續海洋的需求，水下機器人已成為探索未知

深海的重要工具，也是目前世界先進國家

相互競爭、研發的目標。

向未知的海洋領域推進

由於黑暗、寒冷、高壓的限制，大部

分的深海區域是人類未曾探索的範圍。因

為海水會吸收並散射光線，懸浮在海水中

的粒子也會散射光線，使得深海一片漆黑；

海洋也吞沒了光線以外其他類型的電磁輻

射，包括無線電訊號。

此外，深海寒冷至極，以海洋科技博物

館（海科館）所處的台灣東北角為例，水深

500公尺海域的溫度通常只有攝氏 4至 6度。在深海中，毀滅性的壓力限制了一切進入其

中的東西。這股力量與地面上的大氣壓力類

水下機器人並不只是用在救難搜索方面，

它早已運用在海洋資源探測、海底地形測繪，以及海洋工程結構的建構與維護上。

為滿足人類開發海洋、永續海洋的需求，

水下機器人已成為人類探索未知深海的重要工具。

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16 科學發展　2015年 3月│ 507期科學發展　2015年 3月│ 507期

似，但因為水的密度比空氣密度大得多，使

得在海水中水深每增加 10公尺，水壓便會增加約 1大氣壓。

藉著高科技的協助，科學家設計出水

下機器人，得以克服高壓黑暗的環境，幫

助人類進出深海完成任務，或長期停留在

海脊、海溝等深海特定區域內進行資料蒐

集與探測工作。

水下機器人有哪些

水下機器人基本上可以簡單分為遙控式

水下機器人、自主式水下機器人二種，自主

式水下滑翔機則是自主式水下機器人的變形。

遙控式水下機器人　又稱為遙控式水下

載具 ROV（remotely operated vehicle），它們靠著一條內有銅線或光纖束的繫纜與海面上

的工作母船（研究船）連結，以提供水下機

器人運動所需的電力、傳遞控制命令，並傳

回在海下所蒐集到的資訊。

ROV與工作母船（研究船）的關係

臺灣大學研究團隊在交通部科技計畫贊助下開發的

ROV ─ 海影一號。（圖片來源：臺灣大學工程科學及海洋工程系水下載具實驗室）

機械手臂

水下攝影機

廣角水下攝影機

燈光

避碰聲納

數位照相機側掃聲納

主纜線 副纜線

推進器

工具盒

研究船

壓重機 ROV

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ROV現已逐漸取代潛水人員而成為水

下作業的主流，因為可以隨探勘目的加裝

機械手臂，所以也使用於採集樣本、海底

打撈及掃除水雷上。

自主式水下機器人　又稱為自主式水下載

具AUV（autonomous underwater vehicle），它

們經由聲波通訊，靠著自身攜帶的電池與自

主的導航程式任意悠游在海水中。

AUV常運用於冰層底下的調查及製圖

作業、軍事科學的應用、聲納部署及安全

監哨、危險廢棄場地的調查、火山地震的

地質震動調查及記錄、海底沉船偵測、港

口監視、環境監測、海底電纜檢測等。

自主式水下滑翔機　自主式水下滑翔

機（autonomous underwater glider, AUG）、

ROV、AUV等都歸類為無人水下載具

（unmanned underwater vehicle, UUV）。AUG

與AUV相同，沒有纜線與研究母船連結。

AUG並不像 AUV及 ROV在海洋中靠

傳統的螺槳推進，而是利用重力自然下潛，

再用浮力引擎（一種可以抽、排水的裝置）

藉著高科技的協助，

水下機器人得以克服高壓黑暗的環境，幫助人類進出深海完成任務。

臺灣大學研究團隊在交通部科技計畫贊助下開發

的 ROV ─ 海影二號，正在進行實際海域測試。（圖片來源：臺灣大學工程科學及海洋工程系水

下載具實驗室）

臺灣學術機構目前已擁有的 ROV可進行水下 3,000公尺以內的調查採樣。

臺灣大學研究團隊在國科會（科技部前身）贊助下

開發的 AUV測試機 ─ AUV - HM1，正在進行實際海域的自主航行測試，關鍵技術包含都卜勒聲納、加

速度計、陀螺儀，以及整合定位與導航系統。（圖

片來源：臺灣大學工程科學及海洋工程系水下載具

實驗室）

NTU　AUV - HM1

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18 科學發展　2015年 3月│ 507期科學發展　2015年 3月│ 507期

產生浮力上浮。在上下的過程中，藉由雙翼

轉換出向前的推力，使得AUG可循著垂直鋸齒狀軌跡的運動方式掃描海洋水體，大範圍

蒐集海洋水文資料（如水溫、鹽度、壓力等），

航程往往可以達到數千甚至數萬公里遠。

世界上 AUG目前仍以從事研究用的居多，其水深範圍可及200至6,000公尺深海，水平速度則介於 25公分／秒（約 0.5節）至 40公分／秒（約 0.8節）。AUG可以在海中巡航數千公里進行長時間及大範圍作

業的主要原因，是它在水中滑翔的過程中，

除僅需耗費少量電能執行必要監測任務外，

並不需要額外電能提供行進的動力。只有

當 AUG需要改變上浮、下沉狀態或傾角姿態時，才會啟動浮力引擎消耗電能。

AUG在海洋中的垂直鋸齒狀軌跡運動行為

在研究船舷邊，正預備部署到海上執行監測任務的

水下滑翔機。

海底

海面

通訊衛星

浮出水面後，把監測資料傳遞至通訊衛星、完成 GPS定位、調整俯仰姿勢後再開始另一個下潛周期

浮出水面後，把監測資料傳遞至通訊衛 星、 完 成 GPS定位、調整俯仰姿勢並開始下潛

另一個下潛周期執行監測任務

執行監測任務

潛至預計深度後，調整俯仰姿勢並開始上浮

19科學發展　2015年 3月│ 507期科學發展　2015年 3月│ 507期

水下機器人的特性

構造　為了能在深海中作業，水下機

器人必須有好的結構設計，才能抵擋因深

度而加大的海水壓力。其次，還要應用與

整合感測與控制技術、訊號處理、動態估

算、導航定位、通訊等尖端科技，使水下

機器人成為具備智能的個體，才能靈活面

對深海惡劣環境的挑戰。

導航與定位　水下機器人利用與裝置

在海床上的聲波應答器網路對談方式，來確

認自己的位置。每隔數秒鐘，水下機器人傳

送一次聲波訊號給應答器網路，每個應答器

則會以其特有的訊號回應水下機器人。從網

路中三個應答器反應的資訊，水下機器人就

能使用簡單的三角函數運算，並依靠導航技

術得知目前所在的位置與方位。

速度　水下機器人藉由都卜勒聲納（一

種應用都卜勒效應的聲納），向下方的海

床前後左右四個方位送出固定頻率的聲波，

然後收聽它們反彈回來時聲音頻率的差異，

就可以推算出自己的速度。

依賴超音波在深海中潛航　一般而言，

AUV水下機器人是靠著重力與浮力的作用，在海面至海底間來回穿梭。從海面下

潛時，它利用重力滑翔而下，抵達目標點

附近時，拋出部分的配重鉛塊讓浮力平衡

了本身重量後，再開啟螺旋槳的推力，用

最大速度在海下潛航。

這時，藉著超音波感測器，AUV水下機器人可以評估障礙物的距離，維持著與

海底一定的高度航行。接著，裝載在 AUV身體底部的聲納或攝影機陸續啟動，把拍

攝到的海底影像資料儲存在電腦記憶體

中。在電力即將耗盡時，AUV會自行拋去身上最後的配重鉛塊而輕輕上浮，回到出

發時的海面。

水下機器人在應答器網路中的導航定位

水下機器人的構造

AUV水下機器人的潛航路程

外部控制

機械手臂

控制智慧能源

動力

耐壓殼 視覺感測器推進器

通信 導航感測器

聲波或纜線

聲波應答器網路

水下通訊系統

都卜勒速度聲納 內部定位系統

1. 方向陀螺儀2. 加速儀3. 傾斜計4. 深度計

聲納開啟、攝影機啟動、記錄

超音波測距海底

利用浮力升上水面

第二次拋重 調查活動

AUV

第一次拋重

靠重力滑翔至海底

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海洋中的機器人大隊

受限於水下機器人自身所攜帶的電池

能量，以及需耗費大量計算時間的傳統導航

控制程序，要如何適應不同的海域條件，以

及如何執行廣大海域面積的觀測任務，一直

是水下機器人技術的挑戰。

集合多種水下機器人，組織成一個海

洋偵測團隊的概念是可行的方向。以較低

的成本，利用可量產的小型水下機器人，

各自觀測特定的小範圍海域，再把觀測資

料整合成大範圍的觀測結果，可有效達成

廣大海域面積的觀測任務。

由於水下機器人團隊隊形的保持，可

以利用相鄰水下機器人間的相對定位，因

此不需昂貴的導航及通訊設備，也不用擔

心必須花費大量計算時間才得以進行導航

控制程序。而水下機器人團隊整體所形成

水下機器人群體工作想像圖

仿生機械魚 BAUV（圖片來源：臺灣大學工程科學及海洋工程系水下載具實驗室）

NTU　BAUV

通信衛星

海上基地

研究船 浮台浮台

壓重主機

潛水員

搖控式水下機器人

自主式水下機器人

自主式水下機器人

水下行走機器人

聲波應答器

感測器網路結點與水下充電站

機械魚

陸上基地

聲波應答器

聲波應答器

聲波應答器

21科學發展　2015年 3月│ 507期科學發展　2015年 3月│ 507期

的一個網路運動控制方式，也可降低每個

水下機器人之間的相對位置誤差，有利於

海洋資料的蒐集與分析。透過海面下群體

機器人網路的協同分工作業方式，借助多

機分工的概念來共同完成更大海域以及更

複雜的任務，是未來水下機器人技術發展

的重要趨勢。

透過整合不同水下機器人的感測器所

蒐集到的資訊、團隊隊形控制技術的研發，

以及海下通訊網路的建立，不同機型、功

能的水下機器人之間得以相互通信、連結、

溝通協調，完成水下機器人群體行為控制、

監測管理、系統故障診斷等作業，實現其

群體作業的理想。

由於水下機器人的設計與製造技術日

漸成熟，在不久的未來，你我也可以靠著

水下機器人加入深海探索的任務。你我不

只是在遠處旁觀，而是可以積極參與，促

成親近海洋、善待海洋，以至於永續海洋

的目標早日實現。

此外，海科館的「船舶與海洋工程廳」

展示包含生活與海運、船與港、港灣建設

維護、船舶原理設計與建造、應用於現代

船舶的科技，以及水下技術等主題，非常

歡迎您蒞館參觀體驗。

我們的水下機器人

為了讓蒞臨海科館參觀的民眾以近距

離方式，從推進、操縱控制、訊號處理技

術等水下工程技術的不同面向，了解水下

機器人的設計與運動原理，海科館與臺灣

大學工程科學及海洋工程系郭振華教授主

持的水下載具研發團隊，共同開發二具水

下機器人 Nemo及 Iron Fish。這二具水下機器人分別在 2012年及

2014年參加日本海洋開發機構舉辦的水中

機器人競賽，以完美表現擊敗包含東京大學

在內的十所大學與研究機構所研發的水中機

器人，榮獲第一名。這證明在海科館展演的

機械魚所具備的功能已獲得國際比賽的肯

定！而海科館機械魚開發團隊研發的自主式

水下載具及操作技術，更經由參與國際性水

下機器人競賽的獲獎，證明台灣在無人水下

載具的研發能力已達世界水準，也具備先進

水下機器人系統的製作工藝。

2014年在日本奪得冠軍的機械魚 Iron Fish

在海科館展演的仿生機械魚 Nemo

專題報導

22 科學發展　2015年 3月│ 507期科學發展　2015年 3月│ 507期

如今，您不用出國便可以在海科館目睹

機械魚的精彩演出。目前，海科館在每個周

六、日的下午輪流安排 Iron Fish和Nemo二具機械魚，在兒童廳前的水下機器人展池迴游

展演！有興趣一睹這二具冠軍機械魚英姿的

民眾，歡迎蒞館參觀！

宋祚忠國立海洋科技博物館展示教育組

郭振華臺灣大學工程科學及海洋工程系

進階知識

（1） 大氣壓力的來源是大氣層中空氣的重力，在海平面上的空氣壓力稱為 1大氣壓，相當於每 1 平方公分承受 1.033 公斤的壓力。在高處的大氣層比較薄，那裡的空氣重力比低處小，因此在高處的氣壓比在低處低。比如在 2,500 公尺的高山上，氣壓比在海平面上低，大約只有 0.7大氣壓。

（2） 利用聲波可以在海中做無線通訊，聲波在水中傳播的距離比光線遠，但速度慢很多。光的速度：在空氣中約為 300,000公里／秒；在海水中約為 225,000公里／秒。聲波速度：在攝氏 25度的空氣中是 346公尺／秒，在攝氏 25度的海水中是 1,531公尺／秒。

（3） 從日常生活中就可以感受到「都卜勒效應」，例如警車接近時，警笛聲的音調比較高，經過你的身邊後，警笛聲音調就變得較低沉。這是因為警車一邊發射聲波，一方面又朝著我們駛來，

等到發射第二道聲波時，警車又更接近了你一些，造成警笛聲波峰之間的距離變近，聲波像是

被擠壓一樣使得波長變短，頻率因此增加，聽到的音調就會比原來的警笛聲音調高昂。

反之，警車駛離我們的時候，因為波長拉長，頻率降低，警笛聲就比較低沉，這就是由「都卜

勒效應」造成的現象，這種現象在 1842年由一位叫做都卜勒（J.C. Doppler,1803 -1853）的奧國科學家所提出來。實際上，除了警車警笛聲外，飛機引擎聲、火車、消防車與救護車的笛聲

都會出現都卜勒效應，有機會你可以實際體會一下。

海科館 AUV在潮境海灣中拍攝到的美麗珊瑚

除了機械魚以外，海科館為了能對潮

境海灣持續蒐集與探測水文資料，做為海

灣保護復育的參考，訂製了一部可以在海

中進行 HD畫質攝影的 AUV。未來，在海科館的展廳中可以讓您不需換裝潛水，也

可以即時觀看由這部 AUV在潮境海灣中所拍攝的美麗珊瑚，以及海灣復育景象。