自主机器人漫游车为了解深海海底的生命提供了新视角

发表于 3年以前 | 总阅读数：537 次

周三发表在《科学机器人》上的一项研究详细介绍了这个漫游车的开发和经过验证的长期运行。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。这个漫游车收集的数据对于理解气候变化对海洋的影响具有根本意义。

“这个深海漫游车的成功现在允许对水柱和海底之间的耦合进行长期监测。”MBARI高级科学家Ken Smith说：“了解这些相互关联的过程对于预测我们这个被变化的气候所吞噬的星球的健康和生产力至关重要。”

尽管深海海底远离阳光下的浅滩，但它与上面的水域相连，对碳循环和封存至关重要。一些有机物--包括死去的植物和动物、粘液和排泄物--通过水柱缓慢地下沉到海底。淤泥上和淤泥中的动物和微生物群落消化了其中的一些碳，而其余的则可能被锁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发挥着重要作用，然而我们对发生在地表以下数千米的过程仍然知之甚少。工程上的障碍，如极端的压力和海水的腐蚀性，使研究人员很难将设备送到深海海底去研究和监测碳的退潮。

在过去， Smith和其他科学家依靠固定的仪器来研究深海海底群落的碳消耗。他们每次只能部署这些仪器数天。通过建立在25年的工程创新上，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发生得既短暂又无法预测，这就是用Benthic Rover II进行持续监测是如此关键的原因，”电气工程组负责人Alana Sherman解释说。“如果你不是一直在观察，你很可能会错过主要的行动。”

Benthic Rover II是由Smith和Sherman领导的MBARI工程师和科学家合作团队努力工作的结果。

MBARI的工程师们设计了Benthic Rover II，以处理深海的寒冷、腐蚀和高压条件。该漫游车由抗腐蚀的钛、塑料和抗压的合成泡沫构成，可以承受高达6000米深的部署。

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外，我们还必须设计一个足够可靠的计算机控制系统和软件，以运行一年而不崩溃--没有人在那里按复位按钮。电子系统还必须消耗很少的电力，以便我们可以携带足够的电池来维持一年。尽管它所做的一切，漫游车平均只消耗两瓦特--大约相当于一部iPhone。”

Benthic Rover II的大小与一辆小汽车差不多，长2.6米，宽1.7米，高1.5米。研究人员从MBARI的船只--R/V Western Flyer--上部署Benthic Rover II。船上的工作人员小心翼翼地把漫游车放进水里，然后释放它，让它自由落体到洋底。漫游车需要大约两个小时才能到达底部。一旦它降落在海底，漫游车就可以开始它的任务。

首先，传感器检查沿着海底流动的水流。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方，开始收集数据。

漫游车前面的相机拍摄海底，并测量荧光。这种叶绿素在蓝光下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了海底。传感器记录了刚刚超过底部的水域的温度和氧气浓度。

接下来，漫游车放下两个透明的呼吸仪室，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，它们以特定的比例使用氧气和释放二氧化碳。知道这些动物和微生物使用多少氧气对于理解碳的再矿化至关重要--将有机物分解成更简单的成分，包括二氧化碳。

48小时后，漫游车收回呼吸仪室，向前移动10米（32英尺），小心翼翼地不要越过之前的路径，并选择另一个地点进行采样。在部署期间（通常是一整年），它不断地重复这种采样模式。

在每次部署结束时， R/V Western Flyer 考察船返回，回收漫游器，下载其数据，更换其电池，并将其送回深海海底，再过一年。在每一年的部署中，MBARI团队从岸上发射另一个自主机器人--Wave Glider，每季度返回一次，检查Benthic Rover II的进展。McGill解释说：“漫游车不能直接与我们沟通，告诉我们它的位置或状况，所以我们派一个机器人来寻找我们的机器人。Wave Glider上的声学发射器与Benthic Rover II进行通信。然后，漫游器将状态更新和样本数据发送到头顶的Wave Glider。然后，Wave Glider通过卫星将这些信息传送给岸上的研究人员。”

MBARI高级研究专家Crissy Huffard说：“来自Benthic Rover II的数据帮助我们量化了何时、多少以及哪些碳源可能被封存或储存在深海海底。”

在过去的七年里，Benthic Rover II一直在M站持续工作，该站是MBARI的一个研究点，位于加州中部海岸225公里外。M站位于海洋表面以下4000米（13,100英尺），与海洋的平均深度一样深，使其成为研究深海生态系统的一个良好的模型系统。

在过去的32年里，Smith和他的团队在M站建造了一个独特的水下观测站。Benthic Rover II和一套其他仪器在那里每天24小时、每周7天运行，整整一年都没有维修。

Sherman说：“该漫游车在七年中性能可靠，99%的时间是在海底度过的，这是多年来测试、排除故障和开发维护该车辆的最佳技术的结果。这是一个很好的例子，说明当把技术应用于科学中的挑战性问题时，什么是可能的。”

在M站收集的数据表明，深海远远不是静止的。物理、化学和生物条件可以在几小时到几十年的时间范围内发生巨大的变化。

在春季和夏季，M站上方的加州海流表层水域充斥着浮游植物。这些季节性的生产力脉冲从水体到海底层层递增。这些下沉的有机物大部分被称为“海洋雪”，起源于大气中的二氧化碳。

在过去的十年中，MBARI的研究人员已经观察到，在M站落入海底的大型“海洋雪”脉冲急剧增加。这些偶发事件占该站点每年食物供应的比例越来越大。在M站运行的七年中，Benthic Rover II记录了重要的每周、季节性、年度和偶发事件--所有这些都提供了数据，帮助MBARI研究人员了解深海碳循环。

在2015年11月至2020年11月期间，Benthic Rover II记录到从头顶水域降落到深海海底的死亡浮游植物和其他富含植物的碎片（phytodetritus）的雨水大幅增加。就在深海海底上方的水域中，溶解氧的浓度下降伴随着这种有机物的暴雨。

传统的短期监测工具不会检测到推动长期变化和趋势的波动。Benthic Rover II揭示了一个更完整的关于碳如何从表面移动到海底的画面。

Huffard强调说：“Benthic Rover II已经提醒我们注意到全球模型所遗漏的深海中重要的短期和长期变化。”

Benthic Rover II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可以进一步促进我们对地球上最大生存空间的了解。随着越来越多的公司希望从深海海底开采矿产资源，这些数据也为正在考虑进行工业开发或深海采矿的地区的基准条件提供了宝贵的见解。

海洋也是地球碳循环和气候的一个重要组成部分。燃烧化石燃料、饲养牲畜和砍伐森林每年向我们的大气层释放数十亿吨的二氧化碳。海洋吸收了超过25%的过量二氧化碳，使我们免受最严重的影响。面对不断变化的气候，了解碳如何在海洋的阳光下的表面和黑暗的深处流动，比以往任何时候都更重要。