本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第2期
作者：梁健臻，馮景春，張卉，張偲
來源：深海科學實驗裝備發展研究[J].中國工程科學,2024,26(2):23-37.
編者按
深海孕育了世界上最大的生态系統，對深海相關演變規律的深刻認知将支撐人類社會的可持續發展；深海極端環境條件決定了開展原位實驗作業非常困難，也對深海科學實驗裝備提出了苛刻的要求。
中國工程院張偲院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2024年第2期發表《深海科學實驗裝備發展研究》一文。文章從深海科學實驗研究的視角出發，按照深海試驗裝備及試驗場、深海原位探測與實驗裝備、深海環境模拟實驗裝備的主要劃分，系統梳理了國内外深海科學實驗裝備的發展态勢和面臨的問題。大陸在深海科學實驗裝備領域已形成了一批自主研發的裝備技術，推動了深海科學研究進步，部分優勢方向已跻身國際先進水準；但在高精尖裝備及其關鍵核心技術方面未能建構成熟的産業鍊，導緻部分裝備發展受限、一些技術薄弱環節凸顯。需要加強頂層謀劃、協調技術攻關，建立激勵機制、推動創新轉化，建設示範平台、形成标準體系，突破傳感技術、加快國産程序，加強國際合作、提升創新能力，以深海科學實驗裝備高品質發展推動深海科學研究和海洋強國建設。
一、前言
深海孕育了世界上最大的生态系統，蘊藏着最大的生物群落、最多的地球深部能源資源，具有突出的生态服務功能與科學價值。認識深海物質能量循環過程是了解和應對全球氣候變化的重要途徑，對支撐人類社會可持續發展意義重大。目前，人類對深海的認知遠遠不足，甚至存在諸多盲區。在大陸，加快建設海洋強國已成為重大戰略，重要前提之一即具備高競争力的海洋前沿科學認知和尖端技術儲備。深海科學實驗研究是實作這一前提的重要依托，也是對大陸深遠海戰略空間拓展與能源資源開發的重要支撐，開展深海原位科學實驗亟需先進的裝備技術。
深海科學實驗裝備在應用需求上可劃分為深海試驗裝備、深海原位探測與實驗裝備和深海環境模拟實驗裝備等，具有在深海極端環境下開展裝置試驗、原位觀測、取樣分析、培育實驗以及在實驗室内開展模拟實驗研究等功能特性。解密海洋物質能量循環、地球多圈層互相作用、生命起源及演化機制等重大基礎科學問題，需要研發高精尖的科學實驗裝備。深海高壓、高溫 / 低溫、強腐蝕等極端環境條件，導緻先進的科學實驗裝備在深海領域中難以應用，需要發展深海極端環境專用的科學實驗裝備。
在深海生态系統與極端生命過程謎團揭秘的巨大需求牽引下，深海科學實驗裝備技術逐漸被重視并取得了長足進步，使得深海科學領域的新突破和新發現不斷湧現，并邁入新的“黃金時代”。目前，國際上仍然是歐美國家、日本等海洋強國在深海科學實驗裝備領域領先。大陸在該領域起步晚，但曆經多年的艱辛探索，近年來也取得了重大突破，部分裝備已達到國際“領跑”水準。從裝備體系來看，大陸在深海科學實驗大型裝備內建方面較為成熟，但在關鍵部件層面仍存在“卡脖子”環節。目前，國際局勢複雜多變，大陸亟需提升自主創新能力，攻克一批關鍵核心技術，盡快實作深海科學實驗裝備自主可控。
目前，大陸深海科學實驗裝備正在邁進新發展階段，因而把握深海資源開發、環境保護等領域裝備的發展重點方向，建立深海科學實驗裝備體系成為亟待研究的重要課題。為此，本文圍繞深海科學實驗裝備，分析國内外發展态勢、凝練大陸相關發展面臨的問題、構思未來發展重點任務，以期為深海科學研究和海洋強國建設提供裝備發展方面的參考。
二、世界深海科學實驗裝備的發展态勢
深海特殊的環境為深海科學研究提供了天然的實驗場所，為了解決深海重大科學問題，需要利用深海科學實驗專用裝備進入、探測、研究深海的特殊環境。然而，深海科學實驗裝備在深海環境面臨極端作業條件等苛刻的技術挑戰，是以，在深海科學實驗研究過程中，首先需要研制深海科學實驗裝備，經過海試和可靠性驗證後，在深海極端條件下開展原位及深海環境模拟實驗，進而提升對深海科學規律的認知（見圖1）。從全球發展态勢來看，深海科學實驗研究主要遵循此流程，利用創新裝備技術以解決新引發的科學問題，展現出螺旋發展的态勢，不斷推動深海科學前沿的發展和解決重大的基礎問題。世界深海科學實驗裝備正處于譜系化發展階段，基于裝備功能及應用範圍，主要包括深海試驗裝備及試驗場、深海原位探測與實驗裝備、深海環境模拟實驗裝備。
圖1 深海科學實驗研究流程圖
（一）深海試驗裝備及試驗場
深海試驗裝備是有效開展深海科學試驗、與相關尖端科學技術進行海試驗證的重要工具。随着人類參與深海活動的不斷深入，水下作業、科學實驗、原位探測、資源開發等各項深海活動對載人實驗專用裝備的功能性及穩定性提出了新的挑戰，亟需對深海裝備性能、深海材料耐久性能等進行測試。目前，國際上已研制的深海試驗裝備主要包含深海聲學試驗、材料深海環境适應性試驗和深海試驗能源與資訊保障等各類系統，歐美等國家在相關領域起步較早，并且已建成了深海試驗場等綜合性試驗裝備。
1. 深海聲學試驗系統
深海底層的聲學參數是研究海洋聲場環境的基礎資料，其聲學特性是分析海底聲波傳播損失、建構地聲模型不可缺少的研究内容。在地聲測試方面，國外的淺地層剖面探測技術相當成熟，尤其是SES2000和Parasound P等淺地層剖面儀，可擷取海底沉積層的精細分層資訊。在深海裝備靜态水聲測試方面，以美國東南阿拉斯加的水聲靜态試驗系統最為典型，整體構造為長方形基陣，由測試平台、延長系泊設施以及多組水聽器組成，通過水下錨固裝置固定。以美國大西洋水下測試與評估中心的新型固定式STAFAC水聲測量系統為代表，動态水聲測試在1300 m水深處開展并以大型水下直線陣型進行布設，核心測量裝置為大型雙圓錐架構式水聽器陣列，系統配制了水下導航及通信等多個子產品，可與海底網絡進行輔助連接配接，為深海潛水器等科研裝備提供水下實時通信和導航的測試。國際上的深海聲學測試系統已發展較為成熟，水聲測試範圍和地聲測試深度是系統性能突破的關鍵。
2. 材料深海環境适應性試驗系統
材料是所有深海裝備研制和安全服役的基礎。材料在深海環境下的服役性能資料是深海裝備設計選材的重要依據，而深海環境适應性試驗是擷取鋼鐵、钛合金等金屬材料在深海服役性能資料的唯一途徑。美國在20世紀60年代就開始進行深海環境适應性試驗，以部署在太平洋海底的深海坐底式試驗裝置為典型，進行了系統的、範圍廣泛的材料環境适應性試驗，評估了各種深海裝備結構相關材料、結構件在深海環境中的服役性能等。深海裝備材料環境效應資料的原位監測和評估是該系統的技術難點，主要為量化裝備的耐腐蝕性和耐壓性等方面。
3. 深海試驗能源與資訊保障系統
各類深海裝備試驗的開展離不開可靠的能源及資訊等條件保障，以確定各類試驗工作安全、有效進行。美國蒙特雷加速研究系統的“科學節點”是最具代表性的深海試驗能源及資訊保障裝備，在海底部署時裝配于钛合金壓力艙内并通過耐高壓的光電複合纜線與岸站進行連接配接，電源轉換子產品可轉換電壓以供試驗儀器或裝備長期運作，内部的多個科學接口為觀測或試驗的儀器建立與岸基的通信連接配接，高速的資料傳輸帶寬可使研究人員實時擷取高畫質的數字視訊資料并基于網際網路進行遠端控制。為支撐多種原位科學儀器的高效運作，仍需突破深海試驗保障系統的能源密度、輸出功率以及水下資訊傳輸效率。
4. 深海試驗場
試驗保障能力的提升，促進海上試驗場向深遠海方向發展，同時為各類深海儀器和裝置提供長期試驗的實海環境條件。國外典型的試驗場有美國蒙特雷灣海上試驗場、加拿大海洋技術試驗場、歐洲海洋能源中心波浪能試驗場等。美國蒙特雷灣海上試驗場最具代表性，主要有蒙特雷海洋觀測系統、蒙特雷加速研究系統、自主海洋采樣網、陸地 / 海洋生物地球化學觀測、海洋多學科擷取系統等，可用于海洋裝備的試驗、觀測和采樣方法研究以及海洋科學現場觀測和研究。近年來，多個研究機構在蒙特雷灣海上試驗場開展了多種海洋科學觀測和試驗研究，為海洋地球生物化學過程研究和海洋觀測技術發展提供了試驗場所和大量觀測資料支撐。此外，試驗場還可作為推進海洋技術發展計劃的重要内容，其目的是建設海底工程實驗室，幫助研究人員開展科學儀器原型設計、海洋技術開發和系統工程。是以，深海試驗場已成為針對各類深海裝備服役性能進行綜合性、科學性試驗和驗證的重要平台，平台建設仍需要向大深度、強海流、複雜地形的深遠海區域發展。
總的來說，深海試驗裝備的科學試驗服務功能逐漸向多功能、多工況、高精度、綜合性、持久性和自适應性的方向發展。未來，深海試驗場的建設将不斷向深遠海方向發展，通過在更複雜的原位條件下長期試驗和完善各類深海裝備，全方位優化深海裝備的環境适應能力和水下性能表現，進而促進複雜功能需求下的深海裝備體系産業化程序。
（二）深海原位探測與實驗裝備
深海原位探測與實驗裝備是基于實驗室中的生物、化學和環境等檢測和實驗的基礎方法學并通過特殊的材料和封裝工藝所研制的深海裝備，通過原位實驗平台搭載的特定裝置進入深海海底并基于研究目的控制實驗條件，進而進行深海環境物質轉化、生物富集培養及生物反應過程等實驗研究。
1. 深海海底實驗室
深海海底實驗室是科學家在深海海底開展長周期原位實驗的重要裝備，是一種裝配有各類科學實驗儀器的海底大型載人潛艇。基于海底實驗室，科學家可以在原位環境中駐留20天左右并開展現場取樣、實驗、觀測和分析，以探究長周期的環境變化、群落動态和生态系統演化等規律。20世紀70年代，美國研制的“NR-1号”是世界首艘科研工程核潛艇，水下排水量為400 t、下潛深度為914 m、最大載員6人、最長駐留時間為15~20天，同時搭載機械手用于海洋研究、海底設施安裝等任務。“NR-1号”于2008年退役後，美國又提出了潛深為914~1524 m、排水量為828~2062 t的3種“NR-2”深海移動式工作平台方案，最後完成了海洋生物學、海洋地質學、地球實體學、環境科學等廣泛的科研任務。然而，此類裝備的建造體量、人員安全、能源保障、實驗裝置耐受性等要求較高，目前僅有較少國家能夠自主研制。
2. 深海原位環境探測系統
深海環境的取樣和檢測是深海科學實驗研究的基礎條件。新型的原位傳感器能夠在無偏差的情況下精确測量孔隙水剖面，特别是需要快速檢測的如CH4、H2S、CO2和營養鹽等環境名額。法國研發的非接觸式和浸沒式采樣的深海拉曼光譜儀，可在不受幹擾的情況下檢測深海極端環境中的物質濃度變化。利用水下聲呐技術可以探測深海地形的具體特征，擷取如海山、洋殼、海溝等特殊環境的地形圖資料。挪威地質調查局利用自主潛水器（AUV）搭載的高分辨率聲呐繪制了深海冷泉區的聲學圖像，識别了甲烷滲漏的氣泡羽流以及生境特征。相比于大範圍的地形掃描，清晰詳細的生境資訊則需要依靠水下成像技術來呈現。誘餌觀測系統已被廣泛用于深海生境動物群觀測，有效載荷通常包括裝配有環境傳感器的視訊錄影機，在視訊錄制的同時記錄溫度、鹽度、壓力和水流等環境參數。美國研發的基于自主底栖着陸器平台的誘餌攝像系統，可對深海宏生物物種形态特征及豐度進行視訊觀測，該系統強大的水下續航能力是長周期觀測的關鍵。水下光學和聲學觀測技術相比其他方法具有無幹擾下收集更多深海群落生境資訊的優點，有助于提高調查受氣候變化和人類活動影響的深海水柱和栖息地的能力。是以，深海原位環境探測系統的特點在于快速、準确、自動地探測深海生境，然而由于高壓、快速變化的作業環境，傳感器探頭等裝備的關鍵部件在水下環境中的适配和應用是其研發技術的難點。
3. 深海原位生物定植系統
深海生物原位定植培養系統可通過深海着陸器長期布放于海底，在沉積物表面進行原位微生物富集培養，并實作無污染樣品采集和近底水體環境參數記錄。2011年，比利時科研人員通過水下纜控潛水器（ROV）的機械臂将定植實驗裝置部署于海底并開展同位素13C标記的原位培育實驗，用于分析浮遊生物在定植和攝取方面的生物反應，并揭示底栖生物群小規模的遷移機制及時空異質性。2015年，法國科研人員利用深海生物定植裝置并結合木材等基質開展原位實驗和長期觀測，用于揭示深海生物定植過程及其群落動态，探究外來基質與化學合成微生物的互相關系。2022年，日本研制出新型原位微生物培養裝置，可在預設程式的不同培育時間内自主采集海水樣品并定向培育水體微生物，還可注入底物以及固定樣品。可以看出，深海生物原位定植系統是觀測群落演替過程的重要手段，其研發難點在于實作原位微生物自動培育以及環境參數的自動監測，并以微生物定量、基質補充、環境實時監測、同位素追蹤為發展趨勢。
4. 深海原位樣品處理系統
在深海特有基因和生命過程的研究中，具備原位樣品處理的基因檢測系統是識别微生物的短周期節律性過程的新途徑。美國蒙特利灣水族館研究所的海洋學家研發了深海4000米級環境樣品處理器（D-ESP），它是一種內建微生物富集、過濾、裂解和核酸純化過程的原位基因晶片檢測裝置，可進行深海功能基因的定量聚合酶鍊式反應（PCR）擴增實驗，可對目标基因的表達量和特定菌群的豐度進行實時檢測。此外，該系統還通過系統內建的深海質譜儀對原位過濾後的海水物質進行檢測，并且可以接入蒙特利灣海底觀測網絡。在生物樣品失蹤标記和活性測定等原位樣品處理方面，美國研制了一種可在潛水器搭載的微生物采樣與培養一體化系統（MS-SID），可在原位海水原生生物培養過程中進行熒光示蹤劑注入、微生物采樣和處理等一體化操作，通過原位樣品處理測量微生物群落的高活性和系統生産力，加深了對深海微生物食物網過程的認識。深海原位微生物活動過程的發現極大地促進了科學家對深海原位觀測的重視，深海原位樣品處理系統是高保真擷取原位基因資訊的新興手段，然而該裝備在自動化控制、保壓樣品處理、原位基因晶片、無菌環境保障等方面研發難度大，僅有少數國家能實作自主研制。
從研究需求出發，國際上深海原位探測與實驗裝備愈加注重原位環境的長周期、精準、實時觀測，通過多學科的監測手段擷取長時間序列的生态系統動态資訊。未來将開發具備極端動态環境長時間适應、複雜海底地形有效部署、多媒體環境綜合觀測、環境參數自主感覺、智能精準控制、低功耗和長續航等特點的深海原位探測與實驗裝備，以期實作深海環境全方位精确探測以及原位科學實驗，擷取詳細的深海環境動态資訊，進而解決重大的深海科學問題。
（三）深海環境模拟實驗裝備
随着裝備進入深海和原位實驗的能力不斷增強，人類深海探索的區域逐漸擴大，并不斷向全海深延伸。然而，由于進入特殊極端環境的機會有限，以及巨大的成本和安全風險，不可能在深海極端環境中開展所有實驗研究；同時，通過科考船航次獲得用于實驗分析的樣本數量有限，深海生物離開原有的高壓、低溫 / 高溫環境時，其活性很容易受到影響，是以，在實驗室模拟深海原位環境條件是開展深海環境物質轉化、生物代謝反應等實驗研究的一種有效而經濟的方法。目前，深海環境模拟實驗裝備主要包含封閉體系的高壓生物培養系統以及開放體系的連續式高壓生物反應系統等。
1. 深海高壓生物培養系統
在深海環境模拟實驗系統中，通過調節溫度和靜水壓力的變化，可以模拟從表層海洋到深海底的各種環境。高壓生物反應系統可基于壓力容器、控溫裝置以及物質觀測工具來評估深海微生物群落演變對不同環境的響應機制。然而，深海原位微生物樣本的可獲得性和可行性限制了實驗水準，科學家正在探索新型的裝備手段以擷取豐度和純度更高的深海難培養微生物。現有深海環境模拟實驗系統主要側重于高溫高壓和低溫高壓的生物反應器，以模拟深海熱液和冷泉等極端複雜環境。2002年，美國研制的高壓生物反應器被應用于研究減壓對深海極端微生物結構的影響，通過壓力環境的調節，揭示了深海微生物生長及其核心對壓力反應的有限性。2018年，美國研發了一種高壓培養裝置，可在常壓或原位壓力條件下開展培養實驗，成功富集嗜壓的化學有機營養菌和确定其代謝過程，研究強調了靜水壓力對嗜壓性微生物富集及分離的重要性。2022年，美國開發出了基于高壓容器和溫控系統的高壓分批培養系統，該系統無需在采樣期間進行樣品減壓和再加壓的流程，探究了該流程對微生物生長速率、細胞産量和壓力耐受性的影響，研究揭示了反複減壓會對細胞活力産生顯著的負面影響。此外，由于深海高壓環境中底物供應有限，微生物生長非常緩慢，是以深海模拟生物培養系統正在向大容量、高傳質、高保真、線上式等技術難點方向進行突破，以有效提升深海微生物的富集效率。
2. 連續式高壓生物反應系統
深海連續式高壓反應系統已被用于研究與深海特殊環境條件相關的微生物活性及地球化學過程。2007年，美國科研人員利用研制的連續式生物反應系統成功富集了熱液環境中的嗜熱微生物，并進行長時間序列的流體化學變化監測，以探究礦物流體反應和代謝過程之間的互相作用。2015年，瑞士研制了一種深海模拟生物反應器，來開展原位環境樣本培育實驗，獲得了代表性低的微生物種群，并研究了深海環境中具有生物多樣性驅動力的微生物 ‒ 礦物 ‒ 流體互相作用。連續式高壓反應系統還可以模拟強耦合流動和地質力學的環境過程及研究天然氣水合物的礦床。2022年，美國開發了一套耦合流動 ‒ 地質力學模拟系統，具備流體控制、壓力控制、溫度控制和資料采集等功能，該系統采用過量水法進行三維測試，相比一維的實驗，其具備更強的耦合流動和地質力學過程觀察能力。是以，連續式高壓反應系統可以模拟更真實的深海環境過程，實作多類型地質過程模拟以及生物、環境名額線上監測将是未來該類模拟裝備需要攻克的方向。
總的來說，國際深海環境模拟實驗裝備發展趨勢主要是朝着溫度和壓力控制精準性、連續流動性、監測靈敏度以及地質耦合模拟等方向發展。研發自動化、系統化、多層級、綜合化、高壓穩定性、自主感覺環境參數的深海大型生态系統模拟裝備，結合多要素培育與長周期監測，在實驗室原位重塑深海生态系統，将為科學家了解深海生态系統演化過程及生物适應政策提供新方向。
三、大陸深海科學實驗裝備的發展現狀
（一）深海試驗裝備及試驗場
大陸應用于深海科學試驗的裝備研發起步較晚，在試驗裝備的先程序度以及試驗技術與分析方法方面都與國外發達國家有着較大差距，尤其是可提供綜合性試驗服務的試驗場建設仍然空白，這阻礙了大陸深海科學實驗裝備及相關裝置的研發與産業化應用。
1. 深海聲學試驗系統
在深海水聲定位方面，深海高精度水聲綜合定位系統集超短基線、長基線于一體，為大範圍、長航程的深海潛水器提供高精度定位服務，定位精度優于1 m，最大工作距離為8000 m，作業深度為7000 m。該系統于2017年為中國科學院戰略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響”南海綜合考查航次提供了高精度定位保障，作業深度達1200 m，動态定位精度優于0.5 m。深海裝備的水聲測試可為海底底質聲學分類、海底聲學環境評價、聲學調查等提供基礎資料。
2. 材料深海環境适應性試驗系統
深海裝備研發對材料深海環境适應性試驗和相關基礎資料也提出了廣泛和迫切的需求。大陸在深海空間站等大型裝備建設中明确提出，需要開展高強度鋼、钛合金等異種材料構件的電偶腐蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞等深海測試。目前，中國船舶集團有限公司第七二五研究所自主研發了懸浮式深海試驗裝置和試驗方法，該裝置主要通過浮力材料和重力錨将試驗系統架構懸浮于靠近海底的水域，減少了海底泥沙對裝備測試的影響。該裝置先後在南海3000 m水深海域内開展了多批次、多深度的材料環境适應性試驗研究，為大陸海洋重大工程提供了環境适應性測試評價和設計選材等基礎資料。此外，中國科學院海洋研究所也利用研制的坐底式試驗裝備開展研究。然而，由于深海環境适應性原位測試裝置缺乏以及深海電源供應有限等問題，目前國内深海試驗裝置均未搭載原位測試系統，僅對回收試件進行實驗室測試分析，缺乏原位環境下的實時服役參數資訊，是以亟需研發具備深海環境參數及環境效應資料原位采集的材料深海原位試驗裝置。
3. 深海試驗場
固定式海上試驗場是海洋觀測、監測儀器和調查裝置研發、海洋科學研究以及高新科技成果轉化的重要試驗平台，對海洋科技和海洋産業的發展具有明顯的促進作用。中國船舶重工集團公司第七六〇研究所試驗場是國内建成較早、測試技術相對成熟的固定式海上試驗場，是大陸獨具特色的艦船目标特征資訊中心。該試驗場主要提供海區聲學、電磁、海流等各項科研測試以及環境輔助試驗資料資訊的擷取與處理等服務。中國科學院聲學研究所的固定式海上試驗場主要從事海洋聲學、水聲工程等方面的研發工作，該試驗場所在的南海陵水海域由淺到深過渡并且海底環境多樣，具備對深遠海長期立體觀測、環境資訊擷取、傳輸及資源共享的能力，可形成國家級海洋技術與系統試驗基地。大陸成熟的固定式海上試驗場大多處于淺海海域，且建設規模較小、裝置和功能相對單一，缺乏業務化的運作能力。目前，大陸深海裝備的海試仍是以由保障支援母船搭載至指定深度海域開展短期試驗為主，亟需研發服務于科學研究及技術裝備試驗的固定式深海試驗場。
總的來說，大陸深海試驗裝備仍在追趕國際發展步伐，如材料深海環境适應性試驗系統等裝備仍需補齊短闆和完善配套裝備，以期實作破解深海裝備傳遞應用“最後一千米”瓶頸難題，使試驗能力達到國際上同類型深海試驗裝備的領先水準。大陸深海試驗裝備将重點在深海聲學、深海作業、深海裝備材料與構件的環境效應考核以及深海試驗保障等五大深海試驗需求方向上深入發展。大陸需重點建設服務深海裝備長周期實海試驗的固定式試驗場，将其打造成為大陸海洋技術體系中科技創新和社會服務的重要基地。
（二）深海原位探測與實驗裝備
深海原位探測與實驗裝備是擷取大陸南海甚至全球海域基礎環境資訊的重要技術手段。大陸與世界海洋強國在該領域的起步差距較大（見圖2），在經曆多年艱辛探索才實作了從“跟跑”到“并跑”的跨越，由最初的依賴國外，發展到現在能夠自主建造深海潛水器等原位綜合實驗平台以及規劃建設深海海底實驗室。
圖2 深海原位探測與實驗裝備的發展曆程
1. 深海海底實驗室
依靠海底實驗室，科學家親臨海底原位環境，利用深海海底天然的環境特性展開科學研究。目前，國内仍未建造出專門用于深海生态系統過程研究的海底實驗室，對于該研究需求僅借助載人潛水器的多次下潛和短期作業來完成。國家發展和改革委員會批複了本研究團隊承擔的重大科技基礎設施“冷泉生态系統研究裝置”的可行性建設規劃，其中提出建設可長期駐留并觀測冷泉生态系統過程的海底實驗室（見圖3）。根據總體設計方案，這套海底實驗室最大工作水深為3000 m，内部分為4個主要功能艙室，可攜帶6名人員（包括3位科學家和3位操作員）。深海冷泉海底實驗室的建造将為深海冷泉生态、生物和地球化學等方面的科學研究提供重要的裝備與平台支撐。
圖3 深海海底實驗室概念圖
2. 深海原位綜合實驗平台
深海載人潛水器是科學家在深海原位環境開展綜合科學實驗的重要平台，可搭載多種原位探測、樣品采集和處理裝置進行原位作業，也可開展多學科綜合實驗研究。深海原位綜合實驗平台具備更多的實際應用優勢，可利用推進器及作業系統實作寬廣的作業範圍；搭載多序列的取樣裝置和配備靈活操作的機械手，可實作在深海底定點進行大量采樣、實驗裝置布放與回收；通過觀察窗可實作對真實的深海環境動态和特殊的海底地質特征進行近距離觀察；搭載地質化學探測裝置，可實作對深海未知區域進行精細探測。大陸先後開展了“蛟龍号”“深海勇士号”“奮鬥者号”載人潛水器的研制，載人深潛技術逐漸達到了世界一流水準。2020年，“奮鬥者号”核心部件的國産化率達到了96.5%，具備了全海深進入、科考和作業的能力。然而，相比其他海洋強國的潛水器，在功能應用等方面仍有較大差距，主要表現為控制系統自動化程度不高、搭載原位精細探測傳感器較少、視覺成像分辨率和傳輸速率不高、搭載裝置相容性較低、多潛水器聯合作業配套設施不全等。
3. 深海原位環境探測系統
目前，大陸開展深海環境探測實驗主要通過測量、采集、抓取、泵吸等方式實作海水和沉積物等深海環境樣品的取樣和檢測，其中樣品保真和精确測量是裝備研發的重點和難點。在原位觀測方面，水下傳感器是對深海生态系統環境參數及物質成分實時觀測分析的有效工具。2020年，中國科學院研究團隊自主研發的深海雷射拉曼光譜原位探測系統（RiP）最具代表性，可在深海熱液區對噴口流體進行原位檢測，發現了自然超臨界二氧化碳，這是大陸在全球範圍内的首次發現。中國海洋大學團隊研制了國内首套深海自容式雷射拉曼光譜原位探測系統（DOCARS），在國際上首次擷取了水下4000 m深度樣品的雙波長激發的深海原位拉曼光譜，實作了系統對海水中常見酸根離子的定量探測能力。中國地質調查局研究團隊研制了4000 米級坐底式潛标觀測系統，搭載了甲烷、二氧化碳、溫鹽深、溶解氧、濁度計、透射計、聲學多普勒剖面儀以及定點海流計等多種傳感器，長期監測能力在180天以上，覆寫整個水合物開采周期以觀測海底甲烷洩漏的環境變化過程。自然資源部第一海洋研究所于2021年利用自主開發的自由投放式聲學多普勒海流剖面觀測系統（FADCP）在南海西沙海域1400 m深度處開展原位觀測實驗，獲得了16個站點的海流及溫鹽深儀（CTD）等斷面環境資訊。深海原位觀測裝備可以實時有效識别深海環境的理化因子等生境資訊，然而深海環境條件苛刻，這類觀測裝置的精密探頭往往開發難度大，目前正朝着緊湊、智能和精确的方向發展。
深海環境中的實體化學特性及形态演化過程研究同樣也需要進行原位觀測實驗。為探究水合物在深海埋藏條件下的動态生成與解離過程，中國科學院海洋研究所團隊研制的深海環境過程觀測系統最具代表性，該團隊通過“發現号”ROV在大陸南海冷泉部署該系統并開展觀測實驗，在國際上首次擷取了冷泉噴口附近水合物動态生成與分解的視訊資料。該系統通過耦合深海原位拉曼系統，可以現場測量原位水合物的籠型、飽和度等原位理化特性，發現了冷泉流體中礦物顆粒在水合物快速形成中的關鍵作用。深海環境過程觀測系統是未來原位綜合環境調查的有力工具，仍需要加強長期穩定性、測量精确性、系統耦合協同性等方面的研究。
用于原位環境參數監測分析的傳感器系統是深海科學實驗裝備的關鍵核心部件。從大陸海洋傳感器相關技術發展來看，雖然海洋傳感器技術在2010年後得到快速發展，但其整體數量偏少（見圖4）。海洋傳感器技術涵蓋聲學海洋傳感器、海洋光纖傳感器、海洋電磁傳感器、海洋光譜傳感器等。其中，大陸在聲學海洋傳感器和海洋光纖傳感器技術方面具有較大進步，這得益于大陸海洋觀測組網建設重大工程的推動。大陸在海洋電磁傳感器、海洋光譜類傳感器等更加精密的科學儀器方面，表現出明顯的短闆，這類傳感器大多仍依賴于進口。是以，高端原位傳感系統及其精密的傳感器核心部件是大陸深海科學實驗裝備的重點研發方向。
圖4 大陸海洋傳感器專利技術發展情況
4. 深海原位保真取樣系統
由于缺乏深海環境實時檢測和線上分析等原位探測裝備，研究人員通常采用深海環境取樣裝備以擷取深海原位樣品并用于後續的實驗室分析調查。科學家發現在深海環境取樣轉移過程中壓力下降和溫度升高對樣品的實體化學性質及微生物活性容易産生影響。對基于原位獲得的核酸進行組學研究，發現相對于使用Niskin采樣瓶的正常取樣方式，保壓取樣器可以最大程度地還原深海原位的微生物群落結構和基因表達活性。是以，深海取樣裝置不僅需要實作樣品保壓和保溫的功能，還要對采樣器内的樣品進行動态監測，以維持樣品的高保真度。2020年，青島科技大學研究團隊研制出一套高保真取樣、回收及轉移的一體化取樣器，可搭載于潛水器且可作業于5000 m水深，實作了樣品的保溫、保壓及動态監測。為了實作全海深沉積物的保壓取樣，浙江大學研究團隊研發了基于海底着陸器的自密封式全海深沉積物保壓取樣系統，在2021年大洋科考航次中，該取樣器搭載“奮鬥者号”潛水器在馬裡亞納海溝進行了原位測試與保壓取樣，擷取了保壓率超過80%、體積超過700 mL的保壓沉積物樣品。在生物保真取樣方面，2022年，中國船舶科學研究中心研究團隊研制了深海生物原位保溫、保壓裝置，可通過艙外充油半導體制冷進行主動控溫以及高壓氣瓶補壓方式來實作裝置的原位壓力維持，并且驗證了該技術基于潛水器搭載和應用的可行性。
從物質分析來看，正常取樣器采集的樣品已不能完全反映深海環境物質真實的成分資訊。事實上，高壓環境中原位樣品往往含有大量的溶解性氣體，擷取其中的CH4、H2S和CO2等氣體含量資訊，是準确追蹤海底冷泉和熱液等深海特殊生境過程的重要方式，因而全海深保真取樣器已成為重要的取樣工具。為了擷取更加真實準确的深海環境資料以及高保真的深海生物樣品及生物資訊，亟需發展原位保真取樣、樣品保真轉移和保真儲存一體化的深海環境取樣裝備。
5. 深海原位生物定植系統
為了對深海沉積物中具有特殊功能的微生物培育提供海底實驗平台，2016年，杭州電子科技大學研究團隊研制了大容量、長時間序列的沉積物富集培育系統；該系統具備原位富集實驗、自動多階段采樣的能力，可識别沉積物質來源、定量沉積速率以及擷取大量微生物。2019年，自然資源部第三海洋研究所團隊自主研發了深海水體原位定植培養系統，培養艙具有定量緩釋氮素的功能，可在南海3300 m水域中開展長周期氮循環微生物原位可控培養，成功擷取并分離了多種氮循環功能的富集菌群。基于ROV等平台的原位實驗能力，生物原位培養裝置能夠在深海各類生境開展可控的原位培養實驗。2020年，中國科學院海洋研究所團隊自主研發了基于“發現号”ROV的深海大型生物原位實驗系統，該系統具備樣品采集、同位素定時定量加注以及原位或移位培養的能力，可在原始環境或特定環境脅迫下分析深海微生物互相作用的能力。對于深海特定功能微生物的定向原位富集培養，需要借助定制的原位培養系統開展原位條件控制實驗。可以看出，原位生物培育系統逐漸向多類型環境适應、環境條件自主要制與監測以及功能需求定制化設計的方向發展。
總的來說，大陸深海原位探測與實驗裝備與世界海洋強國仍然存在差距，要達到領先水準，需要向感覺精準性、樣品保真性、環境适應性、長期穩定性、裝置相容性和自主性等方向發展。大陸需注重提升自主創新能力，重點突破傳感器等關鍵部件及其制備工藝的核心技術，進而形成一大批高精度、高穩定性、多要素的國産深海原位探測與實驗裝備，以滿足多種應用場景下的深海科學實驗需求。
（三）深海環境模拟實驗裝備
大陸現有的深海環境模拟實驗裝備主要有深海高壓生物反應器、深海天然氣水合物形成與開采模拟系統等，可在實驗室利用可調控的溫度壓力條件以及物質輸入來模拟深海中的各類自然環境。目前，大陸在深海天然氣水合物模拟系統方面取得了較大進展，在深海生物反應器系統方面仍需加大研發力度。
1. 深海高壓生物培養系統
深海高壓生物反應器以富集深海微生物和分析反應過程為主要目标，以上海交通大學團隊研發的一套連續分批進料式生物培養系統為代表，該系統能夠調節甲烷壓力并模拟冷泉原位環境，可監測并探究甲烷循環過程，同時富集甲烷氧化功能菌群并提升菌群活性。此外，氣提式生物反應器是另一種持續富集生物反應器，專用于開展深海熱液環境下嗜熱群落培育及其生物多樣性分析。2019年，中國科學院深海研究所團隊研制了宏生物高壓培養系統，通過加壓的實驗流程，實作深海生物環境适應性研究。
2. 深海生物全過程原位環境培育分選系統
為擷取高存活率的純培養生物，生物培育、轉移和分選全過程需要保持原位環境條件，作者研究團隊于2023年研發了一套深海保溫保壓單菌落高通量自動篩分系統，結構如圖5所示，該系統同時具備溫度和壓力調控、微生物培育和分選功能，可對深海微生物進行人為可控的單菌落自動分離和純化培養，系統内的高壓微注泵是實作單菌落分離功能的核心硬體。可以看出，深海生物反應器從生物反應監測向生物富集、轉移和分選等生物研究全過程的方向發展，其中樣品保真和環境條件精準調控是關鍵。
圖5 深海生物全過程原位環境培育分選系統
3. 深海環境過程模拟實驗系統
深海環境模拟實驗系統是模拟深海地質化學過程以及探究深海特殊物質形成轉化機制的重要裝備。作者研究團隊于2021年研制了深海甲烷滲漏過程模拟系統（見圖6），其具備深海冷泉環境氣泡流條件模拟以及甲烷水合物形成動力學觀測的能力，包括不同流動模式、形态演變和氣體消耗等過程，發現了甲烷流體穩态和非穩态之間存在臨界流速并且導緻水合物成核時間縮短。為了進一步揭示完整的深海甲烷滲漏過程中的滲漏途徑和水合物轉化機制，研究團隊在2022年研制了一套深海沉積物 ‒ 海水模拟系統（DSSWS），該系統可模拟下層沉積物和上層海水的多層級深海環境，通過電阻和溫度傳感器的空間部署可實作對沉積物層甲烷氣泡運移路徑和水合物轉化聚集過程進行監測，該系統對深海冷泉區甲烷滲漏過程的實驗模拟具有開創性意義。
圖6 深海沉積物 ‒ 海水模拟系統
注：PID表示程序控制符。
在天然氣水合物等深海油氣資源開采過程中，由于油氣洩漏引發的環境變化過程及其控制因素是深海資源科學開發的研究重點。然而，目前隻有少數的模拟實驗系統被開發用于研究天然氣水合物等深海資源開采油氣洩漏的環境過程。2022年，研究團隊開發了一套新型的天然氣水合物分解和甲烷洩漏耦合模拟系統（DLCS），以研究水合物開采及甲烷釋放的環境效應。該系統克服了以往研究建構無水合物上覆地層和海水的缺陷，可以模拟含有水合物儲層、上覆地層和上覆海水的原位自然環境。此外，該系統內建了水合物儲層系統中溫度、壓力和電阻的空間分布，可對上覆地層進行可視化監測，并對覆寫層氣體和液體進行采樣。目前，已認證實驗測試驗證了該系統耦合模拟的有效性，明确了甲烷氣體的洩漏機制，可為制定深海油氣資源安全開發政策提供科學依據。
總的來說，大陸在深海環境模拟實驗裝備領域能夠緊跟國際發展步伐，深海環境模拟實驗系統裝備的發展趨勢主要表現為大體積、高耐壓、自動化、可視化、綜合化、系統穩定性以及環境調控迅速、精準等。在實驗室原位重塑深海生态系統已成為新的研究方向，結合多要素培育與長周期監測，識别和量化生物地球化學反應，開展深海多學科交叉融合分析，進而提升深海生态系統中生物适應機制和生态演化過程的認知。未來大陸需要自主建設更加完善的全次元深海生态系統演化模拟裝備，開發內建生物、化學、地質等多元度子產品及多功能專業裝置，進而占領深海環境模拟實驗研究的新高地。
四、大陸深海科學實驗裝備發展思考
（一）加強頂層謀劃，協調技術攻關
大陸尚未釋出國家層面的深海科學實驗裝備發展規劃，該領域裝備發展路徑的頂層設計較為模糊。相關管理部門在行業層面制定的發展規劃存在邊界不清晰的情況，導緻領域内裝備出現低層次重複建設現象。大陸深海科學實驗研究與海洋重大工程建設的關聯性不強，國家層面統籌組織的科學任務輸入和穩定透明的科研資助布局亟待加強。
在國家層面，協調多個管理部門制定針對深海科學實驗裝備發展以及國産化關鍵技術攻關的總體戰略規劃，加強深海科學實驗裝備發展路徑的頂層設計以及相關深海科技專項的統籌布局，對深海科學實驗裝備國産化關鍵部件的技術需求組織常态化調研，加強裝備技術研發及應用标準規範的制定，針對深海科學實驗裝備全産業鍊的薄弱環節給予重點支援，圍繞深海科學實驗裝備國産化關鍵技術，集中國内優勢力量開展聯合攻關，強化關鍵小件、敏感材料、基礎工藝研發，實作關鍵核心技術自主可控，支撐深海科學實驗裝備技術行業高品質發展。
（二）建立激勵機制，推動創新轉化
大陸深海科學實驗裝備産業化短闆明顯，“産學研用”連接配接性弱、科技成果轉化周期長、規模化應用産品少。大陸科研機構的科技成果大多處于實驗室應用階段，科技成果向現實生産力的轉化程度不足。企業作為創新主體，市場生存壓力大，因成本和收益考慮參與産品化、産業化積極性不足。因而導緻市場活力低迷，創新創業體系不完備，難以真正推動深海科學實驗裝備實作産品化、系列化。
探索并制定針對深海科學實驗裝備産業化發展的激勵政策，推動建立以企業為主體，高校、科研院所、企業協調運作的産業體系，建立多管道、多元化的融資機制，強化深海科學實驗裝備産業的發展要素，引導企業創新主體的參與，建構“産學研用”協同創新體系，設立深海科學實驗裝備技術成果孵化器，鼓勵深海傳感器等科學實驗裝備自主關鍵技術的産品化，激發創新創業熱情和市場活力，推動創新成果轉移、轉化和産業化，促進國産化創新成果在深海科學實驗裝備上的落地應用，以自主創新驅動相關産業鍊發展。
（三）建設示範平台，形成标準體系
深海原位科學實驗的作業環境十分複雜，包括高靜水壓、高鹽度、高溫 / 低溫、複雜流體力學、腐蝕污損等多種苛刻因素，這些複雜因素的強耦合會導緻深海材料的損傷以及深海科學實驗裝備的失效，亟需在研制階段利用深海試驗裝備對各類實驗裝置進行原位檢驗、性能測試及安全評估，以保障深海科學實驗裝備能夠持續穩定運作。然而，大陸在深海環境材料學、結構力學、腐蝕科學、水聲學等裝備技術應用方面的基礎性研究仍然缺乏。在深海領域專用材料、實時通信、定位導航、自主要制裝置等共性配套技術裝置方面，大陸深海科學實驗裝備配套技術水準發展不均衡、技術标準制定不統一，受制于世界海洋強國。是以，亟待建設标準化、體系化的深海試驗場，為大陸深海科學實驗裝備的研發、檢驗和工程化應用全流程提供統一、科學、高效的服務。
加快建設針對深海科學實驗裝備研發的國家級技術創新組織體系、綜合試驗基地，形成面向真實海況的裝備研發、試驗、驗證的綜合業務能力，為深海科學實驗裝備研制及應用提供高品質、标準化的配套服務；按需整合資源，合理支援已有實驗基地的業務運作，建設國家級深海綜合試驗場，建構深海科學實驗裝備技術公共檢驗平台、應用推廣示範平台；以公共試驗基礎設施支援深海科學實驗裝備技術産品定型和産品化，同時促進相關裝備技術研發創新主體的良性發展，推動深海科學實驗裝備的産業化程序；對标國際深海科學實驗裝備技術标準，自主建構大陸完整的标準體系，在資料處理、管理模式、體系建設等方面形成系列标準和規範，為大陸深海科學實驗裝備開拓國際市場築牢基礎。
（四）突破傳感技術，加快國産化程序
深海傳感器作為大陸深海綜合環境資訊觀測裝備的核心部件。目前，大陸在海洋領域的核心傳感器國産化率僅為23%；深海領域關鍵技術産品的主要市場被世界海洋強國壟斷，其市場佔有率占比達到95%。關鍵傳感器技術的缺乏導緻大陸高端精密的深海原位傳感系統嚴重落後，目前對于深海環境的物質檢測和分析大多仍需要采集原位樣品并運送到實驗室中完成，難以實作即時快速分析和原位線上檢測。在深海傳感系統方面，大陸聲學傳感器的高端産品未形成體系，非聲學的海洋光纖、電磁、光譜類傳感器産品在海試和工程化應用方面仍然薄弱。多數海洋科技企業以中低端領域的內建應用為主，對進口敏感元件、晶片等關鍵部件進行二次開發，創新積極性不足，自主研發能力薄弱。
加強管理部門協調關聯，制定針對深海傳感系統裝備産業發展的總體規劃，統籌支援深海傳感系統技術創新、裝備攻關、示範應用和平台建設。加強國家創新重大項目、重點研發計劃等專項對深海傳感技術、裝備和人才的支援，推動深海科學與技術創新齊頭并進，提升大陸深海基礎研究與實驗能力。加強聯合技術攻關，将深海傳感系統裝備試驗驗證和應用推廣等納入名額考核要求，落實首台（套）示範應用等政策。研制一批深海傳感裝備設計、制造、檢測、驗證等技術和方法的基礎标準，開展裝備性能、可靠性、零部件以及資料處理等關鍵技術标準的制定 / 修訂。在國家層面重點支援深海傳感系統裝備全産業鍊的薄弱環節，推動大陸突破深海傳感器關鍵技術瓶頸，研制自主可控的深海原位傳感裝備，擺脫深海科學研究依靠國外實驗裝備的局面，進而有效提升大陸深海科學研究水準及學術影響力。
（五）加強國際合作，提升創新能力
增強深海科學實驗裝備技術的自主創新能力，必須擴大國際科技合作與交流。以深海領域國家重點研發計劃為依托，大力推進與海上絲綢之路沿線國家著名海洋科研機構合作，加強與世界海洋強國海洋科研機構合作，完善大陸與世界深海研究機構的合作網絡，為共同推動世界深海科技前沿提供有力支撐。設立國際深海科技創新高層交流論壇，加強與海上絲綢之路沿線國家在深海科技和産業領域的交流與合作，積極引進國際先進深海科學實驗裝備技術，鼓勵引進、消化、吸收、再創新，實作跨越式發展。支援大陸科學家和科研機構參與或牽頭組織國際和區域性深海大科學計劃，為大陸深海科學實驗裝備走向世界奠定堅實的基礎。
注：本文内容呈現略有調整，若需可檢視原文。
作者簡介
張偲
海洋科學工程專家，中國工程院院士。
主要從事海洋生态工程研究。
注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。