水下冰川机器人是如何在南极工作的?

科技 2018-07-20

无论是夏威夷的熔岩区,还是喜马拉雅山的顶峰,都堪称是地球上最危险的环境,也很少有人涉足。然而,这些都比不上地球极地地区的水域,在那里,寒冷的温度和巨大的压力会让像你我这样弱小的人瞬间窒息而死。


水下冰川机器人是如何在南极工作的?


但机器人呢?它们坚韧的躯体比人类更适合在这里执行任务。这是Seabed机器人的地盘。Seabed是一种装有传感器的机器人,能够潜入一英里深的极地海洋,自动收集宝贵的数据。但这是要付出代价的:让机器人顺利回到破冰船上可能要比与数百万英里以外的火星探测器通信更具挑战性。


Seabed并不像那些典型的自动水下航行器。很多水下航行器形状像鱼雷,可以像水柱一样有效地穿透海水。相反,Seabed可以使用其螺旋桨像直升机一样悬停在水中。这允许它悬停在海底并用声纳映绘制海床地图,或者靠近冰山旁边去测量它的厚度。


由于冰层的缘故,机器人无法通过有线方式通信,而无线电波通信也无法在水下工作。相反,Seabed通过发出声音信号来进行通信(就像麻省理工学院的催眠鱼机器人一样)。即便如此,Seabed这种机器人并不总是一个可靠的沟通者。 “如果幸运的话,我们每分钟就得到一个256字节的数据包,”开发Seabed机器人的东北大学机器人专家汉努玛特辛格(Hanumant Singh)说道, “但我们也无法保证我们就一定能够得到数据包。”如果将此与美国宇航局科学家与火星探测器的通信方式进行比较的话,似乎后者要简单一些:从机器人发送到地球的信号平均需要20分钟,但至少是一致的。如果辛格需要接通海底机器人Seabed,信号或许无法到达那里。


为了解释丢失的数据包,辛格为机器人提供了一条路径,比如沿着海底的特定区域运行并用声纳对海床进行测绘。如果有什么东西出现问题,比如寒冷天气突然袭来并开始冻结Seabed应该浮出水面的冰洞,辛格可以发出一个信号来缩短任务。理想情况下,这个信号可以快速到达Seabed那里。(顺便说一句,他只失去了一个这样的机器人,不是因为通讯故障,而是因为一股强烈的洋流把它冲走了。)


如果Seabed在厚厚的冰层下出现在了错误的上浮位置,也无法保证其操作员可以将其从水中取出。它可能会出现在破冰船附近,就像2010年的一次任务一样。你不能在价值50万美元的机器人附近进行破冰,所以研究人员常常不得不在冰上挖一个小洞。这使他们可以接触到设备,他们将重物放到Seabed机器人身上稍微下沉,此外还有一个浮子,以防止它直接下沉到海底。然后船可以进一步破冰——当然还是要小心翼翼地将机器人拉出来。在另一项更为复杂的任务中,研究人员不得不再放下一个较小的水下机器人来抓住Seabed并将其安全拖到开阔水域。


不过一般来说,Seabed总能返回到距离操作员预期的海面位置几米之内。同样,如果机器人无法保持自动化,那么这种环境会让它很快失效。


一旦Seabed进入水中,就像会像鱼进入水里一样活跃。这种机器人它密封得很好并且很紧,以防止冰冷的海水渗入电子设备。因此,如果你把它带出一个温暖的船库并迅速将它放入海中,那就没问题了。当问题出现的时候,你必须将机器人从水中拉出来,然后立即再次使用它。


“你把机器人放在水中,你正在进行测试,你意识到,哦,我们忘记了什么,”辛格说。水本身约为华氏40度,但环境中的空气却是零度。 “你把机器人重新带回来,现在它会完全被冰裹住。”


但Seabed足以应付这些问题。Seabed是一种顽强的科学机器,在气候变化的这些时期,它的工作比以往任何时候都重要。除了用声纳绘制海底地图之外,它还可以测量冰层的厚度。


当然,你可以通过在冰面上钻大量的孔,再利用卷尺来做到这一点。但是海冰的变化异常复杂。 “在北极和南极,冰不仅仅是固定在那里,因为它会因为在海面上结冰而变厚,”伍兹霍尔海洋研究所的海冰物理学家特德⋅马克西姆(Ted Maksym)说, “它正在四处移动,所有的冰块都会相互撞击,从而会形成这些巨大的冰堆。”


“冰层会深达60英尺,而Seabed可以用声纳绘制冰层,就像从下面割草坪一样,”马克西姆说。


马克西姆想要了解的是极地地区的冰是如何变厚和变薄的。例如,在北极,古老的冰川正在消失,冰川的季节性也越来越强。 “因此,了解冰层厚度如何随着北极的变化而变化,这有助于我们了解北极将如何应对气候变化,”马克西姆说。


这当然意味着将Seabed置于危险之中,当然也意味着让人类潜水员摆脱危险。机器人可能会不时被困在冰下,但它收集的数据对于科学理解地球上最残酷的环境至关重要。