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深海巡航探査機「うらしま」

深海巡航探査機「うらしま」は1998年からJAMSTECが開発を進め、運用している自律型の深海探査ロボットです。機体内蔵のコンピュータにシナリオを設定すると、そのシナリオに従って、自力で航行することができます。「うらしま」は、船舶よりも海底に近いところから探査を行うため、非常に高い解像度の海底地形や海底下構造のデータを取得できます。海底から約100mの高度を航行し、一回の潜航調査で約5km²の精密海底地形図を作成することができます。

自律型無人探査機(AUV)の必要性

近年、重要な海底資源の一つとして注目されている熱水鉱床を探査する場合、まずは船で広域な調査を行い、粗々な海底地形図を作成します。その海底地形図から詳細に調査するエリアを決めたら、次に自律型無人探査機(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)を潜航させて、微細地形図を作成します。AUVで取得した微細地形図は高解像度であるため、海底の形や構造が判別でき、時には熱水が噴出している様子を捉えることもできます。そして、調査するポイントが決まれば、有人潜水調査船や遠隔操作無人探査機でピンポイントの調査を行い、熱水鉱床の岩石や水を採取します。このように、海底地形を調査する順序は決まっており、AUVは熱水鉱床などの探査に必要な、微細地形図データを取得する任務を担っているのです。海底地形を調査する船、AUV及び無人探査機のそれぞれの特徴を下表に示します。

船・探査機 特徴
・広域をマッピングできる。
・周波数(音響)が低く、また海底まで距離があるため地形データは低解像度
AUV ・比較的広範囲に航走できる。
・高周波数(音響)であるため、地形データは高解像度
・岩石等のサンプリングはできない。基本、航走するのみ。
有人潜水調査船、無人探査機 ・カメラ、マニピュレータを持っており、写真を撮ったり、岩石及び生物のサンプリングができる。
・ピンポイントでの調査であり、広範囲の調査には向いていない。
・無人探査機はケーブルでつながっているため、行動の自由が限られている。
従来の母船とケーブルでつながっている探査機は、行動の自由度が限られてしまい比較的狭い範囲でしか行動できません。更に、ケーブルの繰り出し元である母船やランチャーが動揺すれば、ケーブルを通じて探査機にも動揺の影響が生じます。そのためケーブルなしで自力で航行し、安定して自律観測するAUVが必要となるのです。

「うらしま」の特長

ペイロードスペース:大人4人入れる程の容量(注:「うらしま」は無人探査機ですので、人は乗船しません。)
ペイロードスペース:大人4人入れる程の容量(注:「うらしま」は無人探査機ですので、人は乗りません。)
当初、実験機として「うらしま」は開発されました。その後、さまざまな試験を通じて運動・観測データを収集し、そのデータを元に更に発展させるための改造を行ってきました。そして2009年に、「うらしま」は実用機として完成し、公募対象探査機として生まれ変わりました。
「うらしま」の特長は、音響マッピングを行うだけではありません。幅1.3m、長さ10mという大きな機体を活かし、大型の試験器材を搭載することが可能です。「うらしま」のペイロードスペースは大人4人が入れるほどの容量があります。このスペースを活かして、以下のような様々な試験器材を搭載して潜航を行っております。
  • 市販のニスキン採水器(24本)を搭載し、海水を採集
  • 東京大学が開発を進める移動体搭載型重力計や位相干渉型合成開口ソーナーといった最先端のセンサを開発支援するための技術開発を行っており、そのセンサを搭載し潜航
  • ケーブルの先端に磁力計や人工電流送信電極をつけて曳航しながらの潜航
また、内部の制御装置を改良することにより、研究者持ち込みの試験器材と音響でコマンドの送受信をできるように改造しました。これにより潜航中、送信開始、記録開始、ロックといったコマンドを試験器材に送ったり、試験器材が正常に作動しているといった状況を確認することができます。
AUVは世界で数多く市販されていますが、「うらしま」程の大きさ(長さ10m)は他にはなく、世界最大級の大きさを誇ります。大型の試験器材が搭載でき、曳航も出来て、試験器材とコマンドの送受信もできるAUVは、世界でも唯一「うらしま」だけと言えるでしょう。

システム

慣性航法装置:高精度リングレーザジャイロにて位置や姿勢を計測できる。
慣性航法装置:高精度リングレーザジャイロにて位置や姿勢を計測できる。
自分の位置をどう測るか?
AUVが自力で航行するには、自分で現在の位置を把握し、どれだけ動いたかを計測する必要があります。地上では人や車の位置を知るためにGPSが使われていますが、海中では電波がほとんど伝わらないため、海中での位置計測にGPSを使うことができません。そのため、「うらしま」は運動を時々刻々計測しながら移動量を求める慣性航法に速度検出器のデータを取り入れたハイブリッド航法、母船からの音響測位によって位置を求める音響航法のそれぞれの長所を組み合わせて航行します。

慣性と音響の航法を交互に利用する海中ロボットのナビゲーションの模式図
慣性と音響の航法を交互に利用して航行する「うらしま」

「うらしま」の動力源
「うらしま」はリチウムイオン電池を動力源としています。リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、寿命も長いので、携帯電話や電気自動車などにも使われている高性能の蓄電池です。「うらしま」に搭載されているリチウムイオン電池は「しんかい6500」のものと同じで、「しんかい6500」で使用したものを再利用しております。かつて「うらしま」は、実験機の時代、閉鎖式燃料電池を搭載して航走したことがあり、2005年2月28日には、世界記録となる連続航走距離317kmを達成しております。現在は、燃料電池を搭載しておりません。
マルチビーム音響測深機(Multi-Beam Echo Sounder:MBES)
海底地形のデータを数値として取得するマルチビーム測深機(MBES)を常備しています。使用する周波数が高くなるほど、高い解像度を期待できますが、探知距離が短くなります。海底に接近できるAUVは、400kHzの高い周波数の音波を送波して海底面近くで探査を行うため、水上船舶からのMBES探査に比べ、より高い精度の海底地形を得ることができます。

マルチビーム測深機マルチビーム測深機で得られた海底地形
サイドスキャンソーナー
探査機の下ではなく横に音波を照射して、海底の凹凸から反射して帰ってきた信号を画像にする装置です。このサイドスキャンソーナーも常備しています。写真は探査で明らかになった泥火山の表面です。

サイドスキャンソーナー泥火山の表面

深海巡航探査機「うらしま」データ

最大使用深度 3,500m
航続距離 100km以上
寸法 10m(L)×1.3m(W)×1.5m(H)
質量 約7トン
速力 0~3.0ノット
動力源 リチウムイオン電池
運用方式 自律航走、音響遠隔制御(無索、母船追従)
調査機器 ・マルチビーム音響測深機
・サイドスキャンソーナー
・サブボトムプロファイラ
・CTD
一般配置図
一般配置図

主な経歴

2015年1月 「しんかい6500」と「うらしま」を同時搭載できるように「よこすか」を改造。インド洋にて潜航
2012年6月 「うらしま」制御装置、推進装置及び慣性航法装置等を換装
2010年5月 海洋理工学会業績賞受賞
2009年6月 公募対象の探査機となる。マリアナトラフにて潜航
2006年12月 「今年のロボット」大賞2006優秀賞受賞
2006年7月 熊野トラフ泥火山微細地形構造調査
~海溝型巨大地震とメタンハイドレート資源研究への一助に期待~
2006年6月 伊豆半島東方沖において地すべり痕確認-深海底微細地形の把握に成功-
2005年2月 巡航探査機の世界新記録航続距離317kmを達成 

2003年6月 世界で初めて燃料電池で航続距離220kmを達成
2001年8月 自律型無人機の世界最深記録および無線画像伝送の伝達距離を更新
2000年12月 駿河湾内水深1,753mより水中カメラで撮影したカラー映像の音響画像伝送に成功し、自律型無人機として世界新記録を更新
1998年4月 2005年実稼働を目指して深海巡航探査機「うらしま」の開発を開始