3 利用高科技潜水机器人分析海底矿产资源丰度

 在水深达6千米的海底，形成了分布广泛的富含珍贵矿物和金属的岩层。不久的将来，全球首台深海自主探矿机器人将通过原位鉴别和分析来详细地勘查这些矿床，从而研究这些资源在电动汽车和其他领域的应用潜力。

 深海海底是一个未被勘探开发的巨大资源宝库，包含钴结壳、锰结核和海底多金属块状硫化物。这些矿产资源有可能在很大程度上满足电子产品和技术领域对金属的需求，目前，这些产品和技术主要依赖于稀有且昂贵的金属。2020年，全球深海采矿的市场规模为6.5亿美元，至2030年将有望增加至153亿美元。欧盟资助的ROBUST项目已成功开发了一款自主作业的机器人勘探和分析系统，该系统将为上述预期的市场规模增长提供技术支撑，并保护海洋环境。该系统也将是对海洋科学考察非常有用的一种工具。

 激光器、摄像头和作业方式

 目前，多金属结核的深海勘探方法是将一台遥控无人潜水器（ROV）系于勘探船，用该潜水器从海底采集原始样品。然后，将样品输送至海面以用于分析。分析过程时间长、成本高且效率低。ROBUST项目旨在使深海采矿变得具有成本效益且对环境友好。

 铁锰结壳和锰结核富含工业上重要的镍、铜、钴、锂、钼和锰。在富含铜、锌、铁、金和银的海底硫化物矿床中，存在丰富的稀土元素和海底块状硫化物。项目协调员Graham Edwards解释道，“我们通过一台无人无缆潜水器（AUV）将一个定制的激光系统部署于海底，该系统能在300米深的海底识别锰结核。我们也开发了一种基于激光诱导击穿光谱（LIBS）方法的系统，该系统能自动识别原位的铜、锰和锌结核，同时还集成了海底块状硫化物探测功能。因此，这个功能强大的LIBS系统能在水下识别极为重要的原位开采目标。”

 这些系统不仅采用高科技，还必须适合在极端的海底环境作业。ROBUST系统通过在海底移动，利用由水下声学仪器、激光扫描仪和摄影测量仪获得的各种数据生成三维地图。项目主管James Essien解释道，“卷积神经网络模式识别算法可以实时探测锰结核。当AUV与勘探靶区的距离在数米以内时，机载摄像头触发潜水器的精确定位系统。”

 一旦AUV位于勘探靶区上面，该潜水器将定位其水下操纵系统，以使集成的LIBS系统进行基于光学方法的实时非接触式原位化学分析。采用了一个双脉冲激光器来提高信号强度。Essien解释道，“第一个脉冲形成一个气腔，第二个脉冲使待测物处于温度更高、时间更长的激发态，然后通过获得的谱线识别结核。”

 4 从欧洲的废弃矿山寻找尚未发现的矿产资源

 仅欧洲就有约30000座已废弃的和被水淹没的矿山，其中某些矿山的重新开采可能具备盈利能力。一个创新的机器人勘探平台已准备投入使用，旨在探明哪些矿山值得重新开采。

 在人类历史发展过程中，为了支持创新，人们一直在从地壳中开采矿物和金属。随着时间的推移，采矿、选矿和冶炼技术的进步降低了采矿成本，人类的需求创造了新的市场，例如满足绿色技术需求的稀土金属市场。

 虽然许多废弃矿山可能隐藏着我们的经济发展所需要的重要资源，但是矿山被水淹没使得勘探工作变得困难，甚至变得不可能。欧盟资助开展的UNEXMIN项目开发了一种安全、环境友好且具有成本效益的非传统勘探设备——UX-1型机器人。这种自主作业的水下机器人将能识别具有资源潜力的矿山。重新开采这些矿山将促进欧盟的经济发展，缓解对关键原材料的进口依赖。

 探矿机器人可实现自动导航并在被水淹没的矿山中分析矿石品位

 UNEXMIN项目开发了一个先进的多机器人平台，用于勘探被水淹没的矿山和采集地质数据。通过多台机器人的团队作业，可以实现两个关键目的：由多台机器人分担载荷，从而降低能量消耗；延长每台机器人的作业时间并提高可靠性。此外，团队作业可以通过同时勘探多条进路和巷道来加快数据获取速度。

 项目团队成员Luis Lopes解释道，“实时定位、测量和导航能力与感知和测量软件的结合，使UX-1型机器人能在复杂且危险的水下环境进行自主勘探和分析。”UX-1型机器人呈圆球状，直径约60厘米。一台UX-1重约112千克，最长可工作5个小时。项目协调人Norbert Zajzon补充道，“在每次任务结束后，利用专门开发的软件处理获取的数据，以形成三维地图和矿山环境模型以及水质化学分析和矿山边坡稳定性地质分析的结果。UX-1型机器人实现了导航系统和科学仪器的装载，这在如此小的甚至更大的机器上都前所未见。”

 进入深部，应对挑战

 UNEXMIN项目在5个实验场地截然不同的复杂环境下测试了UX-1型多机器人平台，这些场地包括斯洛文尼亚的一处被联合国教科文组织认定的遗址和匈牙利的一个大型地热洞穴系统。据Lopes称，“在已关闭150年以上的英国Ecton矿，获得了最令人兴奋的发现。这些发现让我们对该地区的成矿作用、构造运动和构造地质有了新的认识，也让我们了解了该矿山在18世纪和19世纪是如何开采的。”总的来说，UX-1型机器人潜入水下50次，在98个小时内对共计5000米长的竖井和巷道进了勘查，采集了约9太字节（TB）的数据。

 广泛应用和不断演化的优势

 UX-1型机器人不仅能服务于矿业企业，也能为公共机构和私营企业提供许多其他用途。Zajzon解释道，“地质调查机构、政府机构和大学可以将这些数据用于教育目的。供水企业可以利用这些数据评估其供水管道状况，环境保护企业可以利用这些数据评估水下环境风险，旅游企业甚至可以利用这些数据向潜在的游客进行推销。”该团队已经从欧洲创新与技术研究院原材料研究中心获得了进一步研究的经费，该中心是全球最大的原材料联合体。与此同时，该项目孵化的UNEXMIN GeoRobotics公司将使现有的UNEXMIN技术实现商业化应用。

 （中国地质调查局地学文献中心，国际矿业研究中心矿业科技组编译，张炜审校，陈秀法审核）