综述：当前水下船舶清洁机器人的研究现状及关键技术进展：一项系统的最新综述

《Ocean Engineering》：Current research status and key technological advances of underwater ship cleaning robots: A systematic state-of-the-art review

　　

东晓伟|张后香|蔡跃蕊

北京航空航天大学机器人研究所，中国北京 100191

摘要

船舶清洁对于保障船舶运行安全至关重要。随着船舶维护需求的增长以及机械自动化技术的进步，水下船舶清洁机器人在该领域的应用日益增多，成为水下机器人技术和海洋工程研究的关键焦点。本文全面回顾了2005年至2025年间水下船舶清洁机器人的发展历程，系统总结了目前这些机器人所采用的主要清洁技术、表面附着方法、底盘结构与驱动系统、水下目标识别技术、导航技术以及路径规划算法。同时，文章也指出了这些机器人所面临的局限性及挑战，如清洁效率低、环境污染、灵活性受限以及成本较高等问题。针对这些问题，本文提出了一些改进建议，并勾勒了未来的研究方向与发展策略。这些见解为相关领域的研究人员提供了宝贵的指导。

引言

全球航运业规模庞大，对船舶维护服务的需求持续增长。船舶在海上或淡水环境中停留时间较长，期间藻类、藤壶、贻贝等污损生物容易在船体表面和系泊结构上滋生（Tecchio等人，2021年；Nauert和Kampmann，2023年）。如果不对这些生物进行定期清理，它们会在船体上迅速繁殖，影响船舶性能并破坏局部海洋生态系统。生物污损会通过增加船体表面的粗糙度来增大流体阻力，从而导致油耗增加和货物运输效率下降（Adland等人，2018年；Wu等人，2022年）。为了减缓因污损导致的船体快速腐蚀和结构完整性受损，定期进行自动化检查与清洗至关重要（Zhao等人，2023年；Chen等人，2020年）。此外，生物污损还可能促进非本地物种在生态系统间的无意传播。研究表明，一艘载重量为10万吨的油轮在轻度污损情况下，其流体阻力可能增加30%，每日额外耗油量约为12吨。因此，水下船体清洁不仅十分必要，而且需求巨大，但技术实现难度较大且操作复杂。

生物污损被广泛认为是入侵水生物种跨界传播的主要途径，这一问题引发了国际海事组织（IMO）的监管行动。2023年7月，IMO通过了《2023年控制和管理局船舶生物污损以最小化入侵水生物种转移指南》（决议MEPC.378(80)）（国际海事组织，2023年）。这些更新后的指南为整个船舶运营生命周期内的生物污损风险管理提供了全球统一的框架。

《2023年指南》的一项核心要求是实施针对特定船舶的生物污损管理计划（BFMP），该计划涵盖了防污系统（AFS）的选择、常规检查间隔、水中清洗流程以及应对严重污损情况的应急措施。同时，建议船舶运营商以纸质或电子形式维护生物污损记录簿（BFRB），系统记录船体和相关区域的检查、维护及清洁活动。指南还强调了将防污技术与运营实践相结合的重要性，以提高生物安全并减少船舶运营对环境的影响。

值得特别注意的是，指南中纳入了在受控且风险管理下的水中清洗方法，这表明当无法进行干船坞维护时，人们越来越认可这种清洁方式的可行性。图1根据2023年IMO生物污损指南，展示了船体上最易受污损的主要区域。

生物膜的形成以及污损生物的附着会影响到所有水下结构，如螺旋桨、舵、进出水口、声纳外壳及防护格栅（Bixler和Bhushan，2012年）。船舶船体及海上结构上的生物污损一直是研究的重点对象（Yan和Yan，2003年），主要采用被动预防和主动清除策略。被动方法包括使用防污涂层（Leonardi和Ober，2019年）、超声波防污技术（Guo等人，2012年；Park和Lee，2018年）以及海水电解法。同时，先进的声学传感技术（如声纳成像）也被用于检测水下垃圾，从而实现海洋环境的全面维护（Cheng等人，2023年）。主动方法则是指直接清除生物污损的机械或机器人技术（Song和Cui，2020年），通常还会配备碎片捕捉系统以确保环境安全（Tamburri等人，2020年）。最初，生物污损的清除是在干船坞中进行的，但由于维修周期长且船舶停运带来的经济效益影响，维护服务提供商开始提供水下清洗服务。自20世纪60年代以来，研究人员逐步开发出了潜水员操作的水下清洗系统，以提高作业效率。近来，机械化和自主水下清洗系统发展迅速。这些智能机器人解决方案凭借先进的推进器和控制算法（Wang等人，2024年），不仅在船舶船体及一般海底结构（Su等人，2024年；Andrew等人，2024年；Li等人，2020年；Chen等人，2023年；Bykanova等人，2020年；Souto等人，2015年；Hachicha等人，2019年；Sun等人，2019年）方面表现出强大适应性，还在桥梁桩基（Le等人，2020年）、复杂工业管道和下水道（Walter等人，2012年；Fan等人，2018年）、工业储罐（M. Lee等人，2012年）甚至精细的水下考古文物修复（Bruno等人，2016年；Bruno等人，2015年）等特定水下领域得到了应用。

水下环境的复杂性和变异性给潜水员带来了重大挑战和安全风险。为了减少对人工劳动的依赖并实现自主清除污损的功能，智能水下清洁机器人应运而生。水下机器人的清洁效率和性能主要受其清洁机制、底盘设计及表面附着策略的影响。感知技术能够实现目标检测、定位、导航以及实时监测清洁效果。此外，路径规划算法能优化清洗路线，降低能耗并提升作业效率。

本文首先回顾了水下船舶清洁机器人的最新进展，重点探讨了五个核心技术领域：清洁机制、表面附着策略、底盘设计与驱动系统、感知技术以及路径规划算法。同时，指出了该领域当前的挑战与局限，并对未来发展提出了展望，旨在为相关研究提供有益的参考。

需要指出的是，虽然也存在其他技术范式（例如配备机械臂或从船体一定距离外进行清洗操作的自主水下航行器（AUVs），但本文主要关注的是附着在船体表面的机器人。这类系统在作业过程中会物理接触船体，从而实现高压力的清洁、稳定的传感器定位以及在动态海洋环境中的高效能运行。目前，附着在船体表面的机器人是商业应用和学术研究中水下船体维护的主要方式，因此也是本系统评论的主要研究范围。尽管自由游动系统具有巨大潜力，但它们面临相对导航、运动补偿以及复杂的流体-结构相互作用等挑战，这些超出了本文的研究范围。

章节片段

文献搜索方法

本文采用系统文献回顾的方法来分析现有关于水下船舶清洁机器人的研究成果。鉴于该领域综合性综述的稀缺性，本文旨在通过梳理先前研究中的技术进展和关键发现来填补这一空白，并指出当前存在的局限性及未来研究的方向。

我们遵循PRISMA 2020指南进行本次系统回顾。

水下船舶清洁机器人的研究进展

水下船舶清洁机器人成为水下机器人技术领域的重要研究方向，吸引了多个国家的投资，并取得了显著进展。相应地，多家专业服务提供商应运而生，在主要沿海地区建立了运营网络。越来越多的本地船队和造船厂开始依赖这些专业清洗服务。表1和图5展示了代表性的水下

船舶清洁机器人的挑战与未来机遇

为了系统地总结所查阅的文献，我们在表6中进行了全面的主题分析。该表将所有研究中的技术内容归纳为六个主要领域。每个领域进一步细分为反映不同技术焦点的关键子主题。

对于每个领域，我们统计了相关研究的数量，并总结了通过实证验证的关键技术挑战

结论

随着海运业的持续扩张，大型船舶和油轮的数量稳步增加，传统干船坞清洗方法的局限性逐渐显现。为应对对能源效率和环境可持续性的更高要求，一系列水下船舶清洁技术应运而生并不断发展。

水下清洗技术已经从手动操作发展为集成了机电液系统的先进技术。

CRediT作者贡献声明

东晓伟：撰写 – 原稿撰写、可视化处理、验证、数据分析、概念构建。张后香：撰写 – 审稿与编辑、监督。蔡跃蕊：撰写 – 审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了中央高校基本科研业务费（编号：JK2024-50-02）的支持。