探索世界上最大的生态系统——海平面下500米

国家地理研究所开发水下机器人摄像机探索深海

海怪抓船的插图。

古代的渔民一直担心海浪下面的东西。神话中的海怪常困扰早期的水手。民间传说经常讲述巨大的生物屠杀毫无防备的船只。这些早期的水手并不知道，每天晚上都有大量的海洋生物浮出水面觅食，通常就在他们船只的正下方。

这座质量是第二次世界大战声纳运营商首次发现了深度散射层（DSL）。质量如此之大，它被误认为是海底。

海洋深处的散射层使专家们困惑不解。白天，它可能位于海平面以下500多米的地方。到了晚上，它几乎会浮到水面上来。但它到底是什么?为什么它会以一定的间隔移动呢?这些问题困扰了科学家们几十年。

根据这一运动，科学家们知道这一层是由生物组成的。了解这些生物将大大增加基本海洋学的基础知识和海底生物的组成。然而，挑战在于如何研究那些经常在海洋最深、最黑暗的区域发现的东西。

研究散射层的早期尝试涉及由海洋学家设计的精心制作的捕鱼网。首先，他们降低了声音设备来研究混响并识别层的深度。接下来，他们试图在发现散射声音的深度处定位网。当他们牵引网中时，他们发现了一系列有机体，包括虾和灯笼。

然后，在20世纪60年代，人们使用载人潜水器来研究散射层，但这些潜水器只能工作有限的时间。我们了解到的是，DSL是由数百万海洋生物组成的，比如早期研究中捕获的生物发光灯鱼。虽然个体生物很小，大多数长度不到4英寸，但它们的数量之多让船上的声纳操作员感到困惑。

DSL每天都在上升和下降，因为这一层的生物在夜间游到营养丰富的表层觅食，然后在白天潜入300到500米的深处，那里的捕食者要少得多。这就是昼夜垂直迁移。

这种日常横向的深度使得研究和理解层非常困难。本层日常潜水的最深部分对于潜水员来说太深了。没有光线达到这些深度，压力对人类致死，温度悬停在0到5摄氏度之间。简而言之，早期的研究为DSL提供了基本的洞察力，但许多问题仍然依据其复杂性。

国家地理探索DSL

130多年来，国家地理学会在科学、探索、讲故事和教育方面进行了投资，以进一步了解这个星球。

勘探技术团队，一部分国家地理实验室，建立和部署突破性的系统和硬件，以加速勘探。每年《国家地理》都会收集关于海洋复杂性的新见解，包括深海散射层。不幸的是，正如早期的探险家所意识到的，研究海洋深处远不是一件简单的事。

国家地理的团队决定创建一个机器人相机来研究DSL。他们将把他们的设计基于一个名为DropCam的摄像头。Dropcam被设计为“加权和诱饵”，意味着体重在相机上捆绑在相机上，诱饵被用来吸引海洋生活。当图像捕获完成时，机器人相机掉落了重量并漂浮到表面。DROMCAM非常适合对海洋最深处的居民进行成像，但它将有限使用用于研究DSL。

要获取所需的洞察力，该团队需要设计一个摄像机，该摄像机将在与DSL中的CONCHERT上下通过水列向上移动。为实现这一点，他们需要跟踪DSL的深度，然后根据该垂直位置改变机器人的浮力。这将确保相机在DSL中执行其日常迁移时将漂移。但是，你如何远程改变机器人相机的浮力？

对于这种设计挑战，团队转向从250 B.C的发现：Archimedes的原则。在他的工作中，在浮体上在美国，锡拉库扎的阿基米德提出，一个物体浸入一种流体中，它所受的力等于该物体所排开的流体的重量。因此，为了改变浮力，研究小组需要改变机器人摄像机的体积。

该团队使用浮力引擎来改变新型机器人摄像机的体积，这种摄像机被称为漂移摄像机。这种深度控制还有一个额外的优点，那就是操作安静，减少了会吓跑附近鱼类的噪音。

DriftCam的机械布局（左），具有相机电气系统（右）的框图。图像信用：Berkenpas等人。专利申请中。

DriftCam.

漂移摄像机的早期原型在马里兰大学中性浮力研究中心的测试箱中上下浮动，控制问题让它陷入困境。一种可能的解释是系统中被困住了空气。

为了纠正控制系统，该团队使用理想的气体定律，基于来自浮力发动机的数据来确定气泡的电位大小。他们跑了一个matlab^®仿真结果表明，系统中确实存在气泡。排除困气后，Driftcam操作正常。

DriftCam重量超过90kg（200磅），通过数字声学链路从回波器接收信号以定位DSL。机器人下降到正确的深度，使得相机可以将这些生物映像在图层中。聘用200万ISO相机，DriftCam可以在非常低的光线下拍摄图像。这是至关重要的，因为生态系统生活在阳光勉强到达的深度，而团队希望尽量减少他们对人造光的使用。最小化人造光的使用有助于确保准确观察DSL中的生物，因为人造光可能在吸引其他人时吓跑一些物种。