美國(guó)科學(xué)家研發(fā)「水下航行器新技術(shù)」揭秘海洋“暮光地帶”！

以下文章來(lái)源于機(jī)器人大講堂 ，作者Robospeak

生活在海洋中層水域的浮游動(dòng)物體每天都上演著地球上規(guī)模最大的遷徙，這種遷徙每天發(fā)生兩次。但是目前人們關(guān)于中層水域發(fā)生的事情知之甚少，于此科學(xué)家們利用水下航行器新技術(shù)揭秘海洋“暮光地帶”，對(duì)再中水層繁衍的動(dòng)物進(jìn)行了追蹤研究，并發(fā)表在SCIENCE ROBOTICS期刊上。

該論文題目為《一種用于海洋暮光地帶多學(xué)科調(diào)查的混合水下機(jī)器人（A hybrid underwater robot for multidisciplinary investigation of theocean twilight zone）》。

論文鏈接：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe1901

遷徙動(dòng)物對(duì)氣候的影響

海洋中深層水為水深200米～700米之間的海水，是一個(gè)只有百分之一的環(huán)境光線能夠到達(dá)的區(qū)域。雖然該水域沒(méi)有足夠的光來(lái)支持光合作用，但它仍然是許多動(dòng)物的家園，包括鉆光魚、水滴魚，動(dòng)物發(fā)光水母和巨型魷魚等。近年來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這片廣闊的區(qū)域承載著豐富的生命，這些生命在全球碳循環(huán)中扮演著關(guān)鍵的角色。

海洋深處的暮光地帶

海洋中水層存在著大量晝伏夜出的遷徙動(dòng)物

海洋中水層是一個(gè)具有巨大科學(xué)、商業(yè)、環(huán)境和軍事潛力的領(lǐng)域。為了避免捕食，許多中水層動(dòng)物白天在數(shù)百米深的地方度過(guò)，夜間上升到近地表水域在黑暗的掩護(hù)下進(jìn)行覓食，最后在黎明時(shí)分下降到更安全、更黑的水域。當(dāng)這些動(dòng)物在水面附近覓食，然后在它們撤退到更深的水中后排泄時(shí)，它們將有機(jī)碳從淺水帶到深水中，所以將碳元素從近地表水轉(zhuǎn)移到深海。這種“晝夜垂直遷移”這個(gè)過(guò)程阻止了在海洋表面被捕獲的碳重回大氣，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

溫室氣體排放造成地球氣溫升高

在探索中層水域的生態(tài)系統(tǒng)方面，使用傳統(tǒng)的設(shè)備和工具有點(diǎn)力不從心，船載聲學(xué)傳感器雖然能利用聲波定位物體，但無(wú)法精確探則在海洋深處游動(dòng)的動(dòng)物體；拖網(wǎng)作業(yè)可能將在中層水域繁衍的凝膠狀動(dòng)物解體；由于很多動(dòng)物能夠發(fā)光（如光瞼鯛，龍頭魚，燈眼魚，光頭魚，甲藻，發(fā)光水母等），因此對(duì)它們的捕撈容易在捕獲的過(guò)程中把其他動(dòng)物嚇跑。而且，拖網(wǎng)產(chǎn)生的壓力波對(duì)于這些動(dòng)物來(lái)說(shuō)也是一種“打擾”。

就目前而言，任何海洋航行器都會(huì)在一定程度上破壞生態(tài)環(huán)境。所以斯坦福大學(xué)和德克薩斯州里奧格蘭德河谷大學(xué)的科學(xué)家自2017年以來(lái)一直在研發(fā)水下航行器，在對(duì)生態(tài)環(huán)境影響最小的同時(shí)，此來(lái)觀測(cè)中水層的動(dòng)物。

Mesobot為人們對(duì)海洋中水層動(dòng)物研究提供可能性

在2020年，由蒙特利灣水族館研究所（MBARI），伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）和其他合作伙伴開發(fā)出了一款半自動(dòng)深海航行器。這款深海航行器取名為Mesobot，旨在研究海洋中層水域“暮光地帶”，目前已在加利福尼亞州蒙特利灣完成海上試驗(yàn)。

深海航行器Mesobot高 1.5 m，重約 250kg，上面安裝了照相機(jī)、聲學(xué)傳感器和取樣器。就航行器的本質(zhì)而言，Mesobot是一個(gè)系繩航行器，在達(dá)到其工作水域前使用光纖電纜從地面控制和供電。

深海航行器Mesobot的結(jié)構(gòu)及其搭配裝置

首先，Mesobot頂端被涂成亮黃色，以便科學(xué)家容易定位。Mesobot還帶有一個(gè)全球定位系統(tǒng) (GPS)，還配備了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)Mesobot在距離海面控制船 1 公里的范圍內(nèi)，它會(huì)自動(dòng)連接到船上網(wǎng)絡(luò)，則可以讀取得到Mesobot的定位。在觀測(cè)裝置的配備上，Mesobot 的搭載了Sony UMC-SC3A相機(jī)，提供高質(zhì)量的4K高分辨率視頻和圖像，配備全畫幅 35 毫米傳感器。這款相機(jī)在 12 V的直流電壓下消耗約 6 W，并且搭配了一枚微距鏡頭。

許多海洋中水層的動(dòng)物（包括魚類和無(wú)脊椎動(dòng)物），對(duì)水的擾動(dòng)具有高度敏感性。傳統(tǒng)的水下航行器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生激流波，這些動(dòng)物感受到激流波后，即使在黑暗中也能做出逃逸的行為，影響了其繁衍作息。而Mesobot采用了大型慢轉(zhuǎn)螺旋槳，可以產(chǎn)生較少的噪音，在動(dòng)力上最大程度減小了對(duì)生態(tài)環(huán)境上的影響。同時(shí)，Mesobot所有的推進(jìn)器，安裝在可調(diào)節(jié)的支架上，以便它們自然地產(chǎn)生解耦運(yùn)動(dòng)。為了使Mesobot可以追蹤和研究“暮光地帶”內(nèi)的浮游和漂流動(dòng)物。

在續(xù)航方向上，Mesobot 攜帶一個(gè)額定容量約為 4.5 kWh 的鋰離子電池組，在潛水主動(dòng)追蹤階段Mesobot的平均功耗為 93 W，因此重達(dá) 250 公斤的Mesobot工作時(shí)間可以超過(guò)24小時(shí)，為研究海洋的中水層的研究人員提供了很多有價(jià)值的信息。

科學(xué)家們?cè)谘芯看琑achel Carson所?？康拿商乩麨尺M(jìn)行為期三天的海上試驗(yàn)，美國(guó)蒙特雷灣 200 米深處自動(dòng)追蹤自由游動(dòng)的水母和巨大型幼海鞘。這些測(cè)試包括五次深度達(dá)數(shù)百米的下潛，同時(shí)有助于測(cè)試航行器的潛航能力。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們研制的Mesobot 能夠在美國(guó)蒙特雷灣 200 米深處自動(dòng)追蹤自由游動(dòng)的水母和巨大型幼海鞘，能夠調(diào)查和追蹤緩慢移動(dòng)的深海動(dòng)物，并將動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)與關(guān)鍵的環(huán)境測(cè)量相關(guān)聯(lián)。

科學(xué)家們利用Mesobot對(duì)深海中水層進(jìn)行開發(fā)和進(jìn)行動(dòng)物追蹤

科學(xué)家們用Mesobot對(duì)海洋被獵殺者們進(jìn)行了追蹤研究

在達(dá)到 200 m 的作業(yè)深度后，科學(xué)家們操控Mesobot開始搜索目標(biāo)，Mesobot所配備的科學(xué)相機(jī)也記錄并展示了海雪顆粒，巨大型幼海鞘和水母（圖4）。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在下降的過(guò)程中，水母以 3.5 cm/s 的平均下降速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在用Mesobot對(duì)水母的追蹤過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)水母的覓食行為，它們會(huì)使用有毒的觸手進(jìn)行捕捉獵物。在視頻中的某個(gè)時(shí)刻，水母的觸手接觸了一只雙小水母（一種已知的水母的獵物），但最終雙小水母逃逸了。而科學(xué)家們通過(guò)Mesobot觀測(cè)到了巨大型幼海鞘，以及它們正在通過(guò)內(nèi)壁排水以進(jìn)行濾食。

Mesobot對(duì)動(dòng)物的實(shí)施追蹤圖像；左上：Mesobot追蹤水母時(shí)的場(chǎng)景，藍(lán)點(diǎn)表示選定的目標(biāo)；左下：Mesobot在追蹤餐盤水母正在捕食雙小水母；右上：巨大型幼海鞘的外粘膜；右下：巨大型幼海鞘和它的“內(nèi)壁”

（a）

（b）

（c）

Mesobot對(duì)正在起舞的水母進(jìn)行追蹤

與此同時(shí)，科學(xué)家們還利用Meshobot追蹤了一個(gè)巨大型幼海鞘，這種動(dòng)物的部分時(shí)間的運(yùn)動(dòng)方式都是跟隨海洋進(jìn)行被動(dòng)漂流，外形呈透明的蝌蚪狀。在觀測(cè)到遇到巨大型幼海鞘后，科學(xué)家控制Mesobot小心翼翼地接近，并進(jìn)行了幾分鐘的自動(dòng)追蹤。雖然幼海鞘其本身體形很?。s9cm長(zhǎng)），但它們卻被直徑達(dá)幾十厘米的蛋白質(zhì)和纖維素團(tuán)包圍著。

這種生物產(chǎn)生這些蛋白質(zhì)和纖維素團(tuán)是為了誘捕海洋中的微生物，它們將其過(guò)濾進(jìn)來(lái)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)和纖維素團(tuán)的過(guò)濾器阻塞之后，這種生物就會(huì)將其拋棄再產(chǎn)生一個(gè)新的，有時(shí)只需要數(shù)小時(shí)。其近親海鞘一般不足3厘米，但這種幼海鞘能將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及將排泄物中的碳運(yùn)輸?shù)缴詈＃ㄓ绕涫撬鼈兛梢噪S時(shí)放棄蛋白質(zhì)和纖維素團(tuán)），因此在海洋里扮演著非常重要的角色。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)漂流的巨大型幼海鞘在約 20 分鐘的時(shí)間內(nèi)上升和下降的范圍在6 m。

這項(xiàng)追蹤研究還證實(shí)了在研究海洋的過(guò)程中直接觀察的重要性。同時(shí)，驗(yàn)證了Mesobot能夠在動(dòng)物進(jìn)行日常遷移和其他日常運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行研究，且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

Mesobot 對(duì)一只巨大型幼海鞘（像一只小蝌蚪）進(jìn)行追蹤

Mesobot在30 分鐘內(nèi)對(duì)巨大型幼海鞘時(shí)的追蹤結(jié)果

研究機(jī)構(gòu)介紹

位于美國(guó)馬薩諸塞州的伍茲霍爾海洋研究所，其前身是1888年在伍茲霍爾建立的海洋動(dòng)物研究所，是美國(guó)大西洋海岸的綜合性海洋科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，也是世界上最大的私立的、非盈利性質(zhì)的海洋工程教育研究機(jī)構(gòu)。該研究所研究課題廣泛，涉及海洋基礎(chǔ)學(xué)科和海洋工程各個(gè)方面。在海洋動(dòng)物研究，北大西洋洋流、墨西哥灣流與西部邊界流以及大渦旋的研究，深海大環(huán)流模擬等方面取得了重大成果。