智能水射流切割机器人

陈熠画

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

本科生

1　概要描述

1.1　意义与必要性

随着人们对于金属资源需求不断增加、陆地矿产资源逐渐减少，人们逐渐将目光转向了深海采矿。如今，深海采矿已具备技术可行性，数海试验证与比较了不同开采方式的优缺点，但距离大规模商业开采仍较远。

富钴结壳富含钴、锰、镍、铜、铂等金属元素以及稀土元素。结壳厚5 ～ 6 cm，主要产在水深800 ～ 3 000 m的海山和海台顶部和斜面上。很可能成为战略金属钴、稀土元素和贵金属铂的重要来源。金属钴是生产各种特殊性能合金的重要原料，例如耐热合金、防腐合金等。此外，钴在催化剂、蓄电池等方面的应用也在不断上升。由于富钴结壳的钴含量可达1%，远高于陆地钴矿的含量（0.1%），因此海底富钴结壳被认为是21世纪钴结壳的一个重要来源。随着各国的钴消耗量不断上升，各国海底富钴结壳的勘探与开采研究不断进行。

1.2　科技预见方案

本科技预见“智能水射流切割机器人”（见图1）将勘探与开采一体化，其核心是实现高效、经济的水射流切削技术。本科技预见的主要原理是伽马射线检测技术来区分基岩与富钴结壳，获得精确的富钴结壳厚度。通过编写的程序，确定开启的射流喷嘴数目、水射流压力、喷嘴与基岩之间的距离将富钴结壳完全地从基岩上切削下来，保证能够将富钴结壳完全切削下来且不浪费多余水射流能量、同时不将基岩切削下来而保证极低的贫化率。同时，伽马射线检测技术可辅助路线规划技术，以确定合理的水射流采矿机器人的行走路线。

图1　智能水射流水切割机器人示意图

本科技所依托的现有科学技术和未来需要攻克的关键科技问题（但不限于）：

1）伽马射线检测技术

富钴结壳采集现存的一大问题是贫化率较低：一是由于富钴结壳与基岩难以区分，无法确定富钴结壳的厚度；二是机械切割时会将基岩一起切下来。根据富钴结壳的性质，可利用伽马射线区分富钴结壳与基岩。这一技术可以将勘探与开采结合，在前期粗略的勘探之后，即可在开采同时确定钴结壳分布。

2）智能计算与调节技术

通过伽马射线确定富钴结壳厚度，通过智能计算，自动调节启用的射流喷嘴数目、水射流压力、水射流与富钴结壳之间的对峙距离，以保证切割深度基本等于富钴结壳厚度。在保证开采率的同时降低贫化率。

3）路线规划技术

结合伽马射线检测技术，与地形情况研究，可以规划出合理、高效的水射流采矿机器人的行走路线，以确保在保持效率的同时能够全面地开采所在矿区内的富钴结壳。

1.3　实施的阶段性

（1）技术开发：实现上述三项技术的功能。如何能使伽马射线检测技术迅速地区分富钴结壳与基岩，并将所得结果传输给智能计算与调节子系统、路线规划子系统。智能计算与调节技术应能够实现根据富钴结壳分布与厚度精确调节水射流参数。路线规划技术应能实现与前两个技术的有机结合而完成合理的路线规划。

（2）产品开发：集合上述三项技术，并通过技术改进实现商业应用。首先可以做出样机在水池中模拟海底情况。等到技术成熟之后应在实际应用之前进行相当规模的海试。

2　应用领域与前景

富钴结壳的钴、锰、镍、铜、铂等金属含量很高，稀土元素总量很高。尽管各国对于富钴结壳的研究已有很多，但富钴结壳开采技术尚未达到商业开采的水平。高压水射流切削相对于传统铰刀切削具有寿命长、贫化率低、振动小等优点，在深海中可以充分利用海水资源达到破岩目的。智能水射流切割机器人可以利用钴结壳与基岩之间的区分点——结壳发出高得多的伽马射线，来区分钴结壳与基岩，通过智能调节水射流参数来完成切割，结合路线规划技术，与常规方法相比能够大大降低贫化率并保证较高的开采率。