探索世界上最大的生态系统——海平面以下500米

国家地理公司开发水下机器人相机探索深海

海怪抓船的插图。

古代渔民长期以来一直担心海浪下的东西。神话中的海怪一直困扰着早期的水手。民间传说经常讲述巨大的生物屠杀毫无防备的船只。这些早期的水手们并不知道，每天晚上都有大量的海洋生物浮到海面上来觅食，而且往往就在他们的船下面。

这个质量，深散射层(DSL)，是由第二次世界大战的声纳操作员首次发现的。这个物体太大了，被误认为是海底。

海洋深处的散射层让专家们困惑不已。白天，它可能位于海平面以下500多米的地方。到了晚上，它几乎会浮出水面。但它是什么，为什么它有规律地移动?这些问题在发现后的几十年里一直困扰着科学家们。

根据这种运动，科学家们知道这一层是由活的有机体组成的。了解这些生物将大大增加基本海洋学和海底生命构成的基本知识。然而，挑战在于如何研究经常在海洋最深处、最黑暗的地区发现的东西。

早期研究散射层的尝试涉及海洋学家精心设计的渔网。首先，他们放下音响设备来研究混响，并确定该层的深度。接下来，他们试图将网放置在发现散射声音的深度。当他们收网时，他们发现了一系列生物，包括虾和灯笼鱼。

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由数百万海洋生物组成，例如早期研究中捕获的生物发光灯鱼。虽然这些生物个体很小，大多数不到4英寸长，但它们的数量之多让船只的声纳操作员早期感到困惑。

DSL每天都在上升和下降，因为该层中的生物在晚上游到营养丰富的表层进食，然后在白天潜入300到500米的深处，那里的捕食者要少得多。这被称为日珥垂直迁移。

这种深度的每日穿越使得研究和理解这一层极其困难。每天潜水最深的部分对潜水员来说太深了。没有光线到达这些深度，压力对人类来说是致命的，温度徘徊在0到5摄氏度之间。简而言之，早期的研究提供了对DSL的基本洞察，但关于其复杂性的许多问题仍然存在。

国家地理探索DSL

130多年来，国家地理学会一直致力于科学、探索、讲故事和教育，以加深人们对地球的了解。

勘探技术团队，部分国家地理实验室，建立和部署突破性的系统和硬件，以加速探索。《国家地理》杂志每年都会收集有关海洋复杂性的新见解，包括深层散射层。不幸的是，正如早期探险家所意识到的那样，研究海洋深处远不是一件简单的事情。

国家地理的团队决定制造一个机器人相机来研究DSL。他们将以现有的Dropcam相机为基础进行设计。Dropcam被设计成“称重和诱饵”，这意味着在相机上绑了一个重物，用诱饵来吸引海洋生物。当图像捕捉完成后，机器人相机放下重物，浮到水面上。Dropcam非常适合拍摄海洋最深处的居民，但它在研究DSL时用处有限。

为了获得所需的洞察力，该团队需要设计一个摄像机，该摄像机可以随着DSL在水柱中上下移动。为了做到这一点，他们需要跟踪DSL的深度，然后根据这个垂直位置改变机器人的浮力。这将确保相机在执行每日迁移时在DSL中漂移。但是如何远程改变机器人摄像机的浮力呢?

在这个设计挑战中，该团队求助于公元前250年的一个发现:阿基米德原理。在他的作品中，关于浮体，锡拉丘兹的阿基米德提出，浸没在流体中的物体被一种等于被该物体排开的流体重量的力所浮起。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相机的体积，称为漂移相机。这种深度控制的另一个优点是操作安静，减少了吓跑附近鱼类的噪音。

Driftcam的机械布局如图左所示。右图为Driftcam组件的电气框图系统。

漂移相机的机械布局(左)，与相机的电气系统框图(右)。图片来源:Berkenpas等。专利申请中。

的Driftcam

早期的Driftcam原型在马里兰大学中性浮力研究设施的测试箱中摇摆不定，饱受控制问题的困扰。一种可能的解释是系统中滞留的空气。

为了纠正控制系统，研究小组根据浮力发动机的数据，使用理想气体定律来确定气泡的潜在大小。他们运行MATLAB^®仿真并确定系统确实存在气泡。在排除滞留空气后，Driftcam运行正常。

Driftcam重量超过90公斤(200磅)，通过数字声学链路接收来自回声测深仪的信号，以定位DSL。机器人下降到正确的深度，以便相机可以成像层中的生物。Driftcam采用200万ISO的相机，可以在很暗的光线下拍摄图像。这是至关重要的，因为生态系统生活在阳光几乎无法到达的深度，研究团队希望最大限度地减少人造光的使用。尽量减少人造光的使用有助于确保在DSL中准确观察生物，因为人造光可能会吓跑一些物种，同时吸引其他物种。