自主机器人探测车为深海观测提供了新的视角

  浩瀚的深海以及在极端环境下工作所面临的技术挑战，使得人们很难潜入海底进行研究。科学家们对月球表面的了解甚至多于对深海的了解。MBARI

  一辆名为“深海漫游者2号”（Benthic rover II）的自主机器人探测车为了解深海海底(海洋表面以下4000米(13100英尺))的生活提供了新的视角。今天发表在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上的一项研究详细的介绍了这台探测车的发展和已被验证的长期运行。这个创新的移动实验室进一步揭示了深海在碳循环中的作用。探测车收集的数据是了解气候平均状态随时间的变化对海洋影响的基础。

  “这台深海探测车的成功使用让长期监测水柱和海底之间的耦合成为可能。了解这些相互关联的过程对我们这个被气候平均状态随时间的变化吞没的星球至关重要。”MBARI高级科学家Ken Smith说。

  尽管深海海底远离阳光下的浅滩，但它与上面的水域相连，对碳循环和固存至关重要。一些有机物——包括死去的植物和动物、粘液和排泄物——通过水柱缓慢地沉入海底。淤泥中的动物和微生物群落消化了其中的一些碳，而其余的碳可能被封存在深海沉积物中长达数千年之久。

  深海在地球的碳循环和气候中扮演着重要的角色，但我们仍就对数千米以下发生的过程知之甚少。巨大的压力和海水的腐蚀性等障碍使得将研究设备送往深海海底变得困难。

  过去科学家们只能依靠固定的仪器来研究深海海底群落的碳消耗，每次只能部署这些仪器数天。经过25年的工程创新，MBARI已经开发了一个监测深海海底的长期解决方案。

  “深海中的激动人心的事件通常是突发的、不可预测的，这就是为什么使用“深海漫游者2号”进行连续监测。”电气工程集团负责人Alana Sherman解释说，“若不是持续观测，很可能会错过重要的事件。”

  “深海漫游者2号”MBARI工程师和科学家组成的合作团队努力工作的结果。

  MBARI的工程师们设计了“深海漫游者2号”，以应对深海的寒冷、腐蚀和高压条件。这个探测器由耐腐蚀的钛、塑料和耐压的复合泡沫材料组成，能承受6000米(约19700英尺)深的部署。

  MBARI电气工程师Paul McGill解释说：“除了在这些极端条件下操作的物理挑战，我们还必须设计一个足够可靠的计算机控制管理系统和软件，使其在运行一年内不会崩溃——没有人会去那里按下重启按钮。这些电子科技类产品也必须耗电极少，这样才可以携带足够使用一年的电池。尽管它做了这么多工作，但耗电量大约和一部手机差不多。”

  “深海漫游者2号”大约有一辆小汽车那么大——长2.6米(8.5英尺)，宽1.7米(5.6英尺)，高1.5米(4.9英尺)——用一对宽橡胶履带轻轻地踩在泥泞的底部。

  研究人员从MBARI的R/V西部飞行者号船上部署了“深海漫游者2号”。船上的工作人员小心翼翼地将它放进水里，让它自由下落到海底。探测车要花大约两个小时才能到达底部。一旦在海底着陆，它就能开始工作。

  首先，传感器检查沿着海底的水流。当它们检测到有利的水流时，漫游车就会向上或越过水流，到达一个不受干扰的地点，开始收集数据。

  探测车前面的照相机拍摄海底并测量荧光。在蓝光下，叶绿素发出的独特光芒揭示了有多少“新鲜”的浮游植物和其他植物碎片落在海底。传感器记录下底部上方海水的温度和氧气浓度。

  接下来，探测车放下一对透明的呼吸计室，测量泥土中生命群落48小时的氧气消耗。当动物和微生物消化有机物时，它们以特定的比例消耗氧气和释放二氧化碳。了解这些过程和数据对于理解碳再矿化至关重要。

  48小时后，探测车抬起呼吸计室，向前移动10米(32英尺)，小心翼翼地选择另一个地点进行采样。它在部署期间（通常是一整年）反复重复这种抽样模式。

  在每次部署结束时，R/V西部飞行者号会返回来回收探测车，下载数据，更换电池，并将探测车送回深海继续一年。在长达一年的部署期间，MBARI团队从岸上发射另一个自主机器人——波浪滑翔机，每季度往返一次，检查“深海漫游者2号”工作的情况。研究人员解释说：“探测车无法与我们直接沟通，告诉我们它的位置或状况，所以我们派了另一个机器人去寻找我们的机器人。”

  MBARI高级研究专家克里斯西·赫法德说：“来自‘深海漫游者2号’的数据让我们量化何时、多少碳源可能被隔离或储存在海底。”

  在过去的7年里，“底栖漫游车2号”一直在M站持续运行，M站是MBARI在加州中部海岸225公里(140英里)处的一个研究基地，位于海洋表面以下4000米(13100英尺)——相当于海洋的平均深度——这使它成为研究深海ECO的一个很好的模型系统。

  在过去的32年里，研究团队在M站建造了一个独特的水下观测站，“底栖漫游者2号”每天24小时，每周7天连续工作，一整年都不用维修。

  探测车在7年的时间里表现可靠，在海底度过了它99%的生命，这是多年测试、故障排除和开发最佳维护技术的结果。这也是一个很好的例子，说明当把技术应用于挑战科学问题，人类是能做到的。

  在M站收集的数据表明，深海远非静止的。物理、化学和生物条件可以在从几个小时到几十年的时间尺度上发生巨大变化。

  春季和夏季，M站上方的加州海流表层水域浮游植物丰富。这些季节性的生产力脉动从水柱级联到海底。这些被称为“海洋雪”的下沉有机物大部分来源于大气中的二氧化碳。

  “深海漫游者2号”在M站7年的运行中，记录了每周、每季度、年度和偶发事件——所有这一些数据都帮助MBARI的研究人员了解深海碳循环。

  在2015年11月至2020年11月期间，“深海漫游者2号”记录到从头顶水域降落到深海海底的死亡浮游生物和其他富含植物的碎片的海洋雪大幅度的增加。伴随着这种有机物的降临，深海海底正上方的水域中的溶解氧浓度下降。

  传统的短期监测工具无法检测到长期变化和趋势的波动。“深海漫游者2号”揭示了碳是如何从地表移动到海底的更完整的图景。

  “深海漫游者2号”的成功和MBARI正在M站进行的工作强调了持久的平台和长期的观察能更加进一步促进我们对地球上最大生存空间——海洋的理解。随着慢慢的变多的公司希望从深海海底开采矿产资源，这一些数据也为我们不难发现正在考虑进行工业开发或深海采矿的地区的基线条件提供了有价值的参考。

  海洋是地球碳循环和气候的重要组成部分。海洋和它的生物群落是二氧化碳的蓄水池。燃烧化石燃料、饲养牲畜和砍伐森林每年向我们的大气中释放数十亿吨二氧化碳。海洋吸收了超过25%的二氧化碳，使我们免受了最严重的影响。面对变化的气候，了解碳是如何在阳光照射的海洋表面和黑暗的海洋深处流动比以往任何一个时间里都更加重要。

  MBARI是一家私营的非营利性海洋学研究中心，由David Packard于1987年创立，专注于开发探索和理解海洋的创新技术。其使命是推进海洋科学和技术，了解变化中的海洋。

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