深度超过6 000 m的海域被称为海斗深渊（hadal trench，简称深渊），是全球海洋深度的极限，是人类迄今为止认知最少的地球生态体系之一. 超高压、黑暗无光、低温、营养匮乏的极端环境不是一片“生命荒漠”^[1]. 观测表明，超深渊带会参与深层气旋式环流和大洋深海环流过程，具有较可观的物质输入、丰富的生物多样性和活跃的底栖生命活动^[2-5]. 近数十年，各海洋强国先后在深渊地区进行生物和地质调查，获取了一些宏生物样品，如狮子鱼和沟虾这类大生物，以及众多浮游生物、微生物. 深渊的极端环境造就了独特的生态系统^[6]. 科学家从深渊生物样品中分离出了上千种具有极高的药用价值和商业价值的生物代谢产物^[7].

深渊宏生物位于深渊食物链的顶端，它们大多在地表生物圈中没有已知的亲缘物种. 对于深渊宏生物的研究是当前海洋科学领域最前沿的热点之一. 深渊宏生物类样品获取难度大，在回收过程中因环境压力和温度变化会严重破损. 对深渊宏生物进行保压取样，保持原位的生理状态，是开展深渊宏生物研究的前提条件. 开展“深渊宏生物保压采样系统”研究，可以推动我国对深渊生态系统的研究进展. 本文提出中空活塞式保压取样机构，优化了高压下气体压力补偿器的设计方法，首次实现了我国万米级深度的宏生物保压取样.

从深海回收活体生物非常困难，取样系统要克服海底与海面的温度/压力差，将生物尽可能维持在原位环境下取回. 各海洋强国在深海宏生物保压取样方面进行了很多尝试. Brown^[8]建立第1个海洋宏生物保压取样系统，在1 200 m水深处成功获取保压活鱼样品. 该装置的扭簧-饵钩装置将鱼类拉入保压舱，同时触发翻板阀机构，实现密封. Macdonald等^[9]提出深海宏生物保压取样器，在2 700 m水深处成功获取数个端足动物活体样本. 该取样器通过在保压舱内放置饵料，吸引食腐动物进入舱内；通过连接至船上的高强度绳索触发球阀旋转90°，将保压舱密封. 在回收过程中，由充有氮气的压力补偿器来补偿保压筒压降. 该系统配备有观察舱内动物活动的观察窗. 保压舱外设置有水隔热层，保持样品的原位低温. Yayanos^[10]建立PRAT的宏生物取样系统，在5 800 m左右水深处获取数个端足类动物. 该系统具有蓄能器和保温层装置. 该系统通过弹簧-活塞-配重机构，实现关门和密封. Yayanos^[11]利用改进后的宏生物取样系统，在马里亚纳海沟取得活体沟虾样品. 后续宏生物保压取样系统的结构设计与上述几个系统基本类似，增加了附属功能. Sumihiro等^[12]建立Pressure-stat aquarium系统，该系统由水下机器人操作解除限位机构，将进入取样器的生物封闭在取样舱内；通过自主反馈式高压海水循环系统为培养舱中的生物提供氧气，排出代谢废物，保持舱内的海水压力；通过温度传感器和冷却器，开展温度的调整和控制；使用便携式溶解氧传感器，对注入和排放溶解氧进行监测；利用海水交换系统，保持生物原位压力. Jeffrey等^[13]提出高压鱼类捕获-呼吸-培养系统，用于捕获深水鱼类，在原位进行生理实验. 该系统的捕获结构与Brown建立的系统类似，改进了关门机构，利用液压缓冲缸对关门速度进行控制，避免对生物造成的可能伤害. 我国在该领域的技术装备比较薄弱. 葛朝平^[14]提出深海近底层多网分段生物幼体保压取样器，该取样器通过拖网的方式和液压驱动自动开闭装置进行取样. Wang等^[15]提出电机驱动式活塞保压取样器，该装置配备有活塞式充气蓄能器.

与国外技术相比，我国的相应技术和装备尚处于实验室研究阶段，智能化程度较低，功能较单一. 国内外大部分保压取样器的作业深度均没有达到深渊级别，这主要受限于装置的质量，搭载平台的承载力以及驱动器或传感器的耐压能力. 本文提出搭载于深渊着陆器的全海深宏生物保压取样系统，采用中空活塞设计，避免了传统球阀或翻板阀的大质量设计. 针对全海深环境，提出基于真实气体状态方程的蓄能器设计方案；研制补偿密封件运动的液体式压力补偿机构. 通过实验和海试，验证了装置的保压性能.

全海深宏生物保压取样器通过深渊着陆器释放至海底，着陆器抛载上升至海面. 由于着陆器的搭载能力有限，对于装置的质量具有严格的限制. 研究的保压取样器的技术指标如下：水下质量不大于65 kg，生物入口直径不小于50 mm，回收后压降不超过20%.

设计的全海深宏生物保压取样器的总体结构如图1所示. 针对深海环境，设计封装于铝合金外壳内的压力平衡式充油电机，电机带动丝杠-螺纹套筒传动系统，将旋转运动转化为直线运动. 螺纹套筒前端连接取样活塞，取样活塞内装入诱饵，随着电机的正反转从取样筒内伸出和收缩. 下放前，设定电机启动时间，到达海底后，电机正转，取样活塞伸出，开始取样. 90 min后，电机反转，取样活塞被回收至保压筒内. 蓄能器在下海之前预充30 MPa氮气，用于补偿回收过程中由于压力温度变化引起的保压筒压降. 液体压力补偿装置在取样结束后立即启动，通过轴向推动小型活塞将水通过毛细管推入保压筒中，这相当于压缩保压筒的体积；另一个作用是将O型密封圈推至外侧，避免回收过程中由于密封件运动引起的泄露和压力降低.

取样和传动系统如图2所示. 螺纹套筒与取样活塞螺纹连接. 取样活塞为中空结构，两端安装有密封圈. 取样管安装在取样活塞的中空部分，通过活塞侧壁的紧定螺钉固定，用于放置诱饵. 为了减轻质量和提高装置的耐腐蚀性能，保压筒和取样活塞均采用钛合金TC4制造.

设计的取样机构具有自密封特性，仅需要电机驱动就可以完成取样和密封过程，避免了传统球阀和翻板阀及类似机构的大质量设计. 整体结构轻巧，可以搭载于着陆器进行部署. 设计适用于深海高压环境的电池和电子舱.

由于取样器的工作深度大，与甲板通信困难，设计使取样器在海底自动工作的控制系统. 将控制系统封装在钛合金空舱内，通过水密接插件连接外部设备. 控制系统的功能图如图3所示. 控制系统的核心为STM32H750单片机，该芯片具有的多电源域架构允许将不同的电源域设置为低功耗模式，以节约电能. 控制系统的时钟模块用于设定和计量系统时间. RS232通讯模块用于与上位机通讯；RS485通讯模块用于与电机驱动模块进行通讯，控制电机按照设定时间启停. 温度和压力探头测量整个过程的压力，通过信号采集模块和数模转化模块，存储到数据存储模块中.

回收过程中保压筒的压降主要是由压力筒外压降低和外界温度升高造成的体积膨胀引起的. 计算参数及取值如表1所示.

由压力变化引起的体积变化∆V_p可以按下式^[16]计算：

(1) $ \Delta {V_{\rm{p}}} = \frac{{\text{π}} }{4}{\left( {{d_{\rm{i}}}+\Delta {d_{\rm{p}}}} \right)^2}(l+\Delta {l_{\rm{p}}}). $

式中：Δd_p为由压力变化引起的保压筒内径变化量，Δl_p为由压力变化引起的保压筒长度变化量. 由温度变化引起的体积变化∆V_t可以按下式计算：

(2) $ \Delta {V_{\rm{t}}} = \frac{{{{(C+\Delta {C_{\rm{t}}})}^2}}}{{4{\text{π}} }}(l+\Delta {l_{\rm{t}}}) - \frac{{\text{π}} }{4}d_{\rm{i}}^2l . $

式中：ΔC_t为由温度变化引起的保压筒内周长变化量，Δl_t为由温度变化引起的保压筒长度变化量. 总体积变化量为

(3) $ \Delta V = \Delta V_{\rm{p}}+\Delta V_{\rm{t}}. $

∆p和∆V的关系可以表述为

(4) $ \frac{{\Delta V}}{V} = \frac{{ - \Delta p}}{{{E}}}. $

最终计算得到

$ \Delta V = 28.25\;{\rm{mL}}, $

$ \Delta p = 39.2\;{\rm{MPa}}. $

根据上述计算结果，需要蓄能器的补偿量不小于28.25 mL. 蓄能器设计的重要参数是可用流体体积，即蓄能器可以补充到系统中的液体的体积，用V_a表示，如图4所示. 预充状态、最大工作压力状态及最小工作压力状态的压力和体积分别表示为p₀、p₁、p₂和V₀、V₁、V₂.

在工程应用中，常根据下式计算可用流体体积：

(5) $ {V_{\rm{a}}} = \left( {\frac{{{p_0}}}{{{p_2}}} - \frac{{{p_0}}}{{{p_1}}}} \right){V_0} . $

该方法是基于博伊尔定律，即忽略分子之间的作用力. 在高温、低压的条件下，该方程可以准确描述气体的性质. 在高压下，气体分子之间的距离减小，范德华力增加，气体宏观表现为越来越难以压缩. 该方程不适用于本研究的蓄能器的设计. 压缩因子Z用于描述真实气体与理想气体之间的关系：

(6) $ Z = \frac{V_{\rm{r}}}{V_{\rm{i}}} . $

式中：V_r为真实气体的体积，V_i为利用理想状态方程计算所得的体积.

氮气因其化学稳定性，最常用于蓄能气体. 依据实验数据^[17-18]和式(5)，得到基于理想气体和基于真实气体所需的蓄能器体积之间的差异. 当低于18 MPa时，实际气体比理想气体更容易压缩，即Z小于1. 随着压力的增加，实际气体变得更难压缩. 在110 MPa下，Z接近2；因此，高压下的气体体积远大于根据理想气体方程计算出的体积. 若基于博伊尔定律设计蓄能器，则补偿量将会严重不足.

若充入更高的压力，则将减小所需蓄能器的尺寸. 图5中，p_s为海水压力. 根据计算结果（见图5），若充入100 MPa的气体，则需要的蓄能器体积仅为170 mL左右. 在实际工作中，操作超高压气体是一项复杂而危险的工作. 考虑到操作的可行性，设计容积为300 mL、预充压力为30 MPa的蓄能器.

液体补偿机构是为了补偿考虑到密封圈移动导致的压力降低. 如图6所示的情形，考虑到取样活塞始终位于保压筒内部的密封圈（见图1（a）），在取样结束回收至筒内后，由于相对运动的摩擦力，该密封圈会运动至沟槽左侧. 随着取样器的回收，外界压力降低，密封圈会被压至沟槽右侧，导致舱内体积增大，压力降低. 蓄能器作为被动式压力补偿机构，响应较慢，难以补偿这一部分损失. 建立主动增压装置，在取样动作完成、取样活塞回收后，启动主动补压装置；在取样结束后，立即向保压筒内压入水，以期能够补偿由于密封圈移动造成的压降.

所用的O型密封圈线径为3.55 mm，密封沟槽根据国标设计，沟槽外径d₁ = 80 mm，底径d₂ = 74.4 mm，取O型圈位移s = 2 mm. 按照下式计算由密封圈移动引起的体积变化：

(7) $ \Delta {V_{\rm{o}}} = \frac{{\text{π}} }{4}\left( {d_1^2 - d_2^2} \right) s . $

求得∆V_o为0.806 mL，根据式（4）求得压降为1.12 MPa.

液体压力补偿装置的详细结构如图7所示. 在取样器布放到海底之前，向压力补偿装置内充入纯净水. 补压装置通过不锈钢毛细管和截止阀连接至保压筒. 在取样结束后，启动补压电机. 补压电机输出轴与主动齿轮之间、从动齿轮与活塞杆之间均为键槽配合. 主动齿轮带动从动齿轮轴向运动，从而带动活塞杆轴向运动. 将纯净水推入保压筒，在海底建立保压筒与外界的压差. 设计总活塞缸内径为18 mm，行程为5 mm，总补偿量为1.3 mL.

如图8所示，对全海深宏生物保压取样器样机进行内压试验. 试验参考高压容器测试标准GB 150.4—2011开展. 在内压测试前，将取样活塞放入保压筒中，在保压筒内注满水. 除增压接口外，其他接口均用堵头密封. 静置1.5 h，使保压筒内壁与测试用水的温度基本一致. 启动高压测试平台加压. 增压速率设置为0.5 MPa/h. 试验时，温度约为25 ℃. 最大测试压力为125 MPa，在该压力下保持12 h. 在保压试验过程中，未发现装置有泄漏或压降，测试平台全程记录保压筒内的压力. 试验结果表明，保压筒和取样活塞具有足够的强度，密封完好.

为了验证取样系统在深海高压下是否可以完成取样动作以及所设计的电池舱、控制电路板舱、充油电机等关键部件是否可以正常工作，在高压舱内对取样系统进行测试，如图9所示. 在试验之前，通过上位机设置电机的启动时间，这主要是考虑装置吊放时间、高压舱封盖时间及增压时间. 将取样系统固定在台架上，吊入高压舱. 开舱后，通过上位机读取压力传感器的压力. 由于试验条件的限制，进行3次60 MPa高压舱测试. 前2次测试未设置液体增压装置. 试验结果如表2所示. 表中，p_t为测试压力，p_r为保压压力，β为保压率.

结果表明，当只有蓄能器起压力补偿作用时，可以达到90%以上的保压率，超出设计要求. 在增加液体补偿后，取样器几乎可以保持在测试压力. 取样器存在少量泄露，导致无法完全保持测试压力.

所研发的全海深宏生物保压取样器于2021年9月至10月在中国大洋科考航次TS21中，搭载“探索一号”科考母船在马里亚纳海沟深度超过10 800 m处进行2次原位试验. 如图10(a)所示为全海深宏生物保压取样器搭载“原位实验号”着陆器在马里亚纳海沟进行布放的现场照片. 2次海试共取得深渊宏生物174只，保压率均大于80%，这是我国首次获取万米级宏生物保压样品(见图10 (b)).

2次海上试验的成功验证了研制的全海深原位宏生物保压取样系统具备进行万米级深渊环境作业的能力，能够在实地作业中获取高质量宏生物样品，具有可靠性和稳定性.

本文提出全海深宏生物保压取样装置，介绍该装置的总体结构及控制系统. 提出活塞式自密封取样机构，试验表明，该机构完全满足全海深工作所需的强度和密封性能. 基于真实气体状态方程，设计气体蓄能器. 实验证明，在该蓄能器的压力补偿下，装置能够保持大于90%的原位压力. 为了解决密封件运动引起的压力降低，提出液体补偿机构. 利用该机构，可以显著地提高保压取样设备的保压性能. 提出的保压取样器已于马里亚纳海沟进行了2次原位实验，共获取保压宏生物样品174只. 取样器的压力补偿结构及取样机构能够用于其他深海保压取样设备，具有广阔的应用前景.