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。

这种物质，即深散射层(DSL)，是第二次世界大战时声纳操作员发现的。那块东西太大了，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。

早期对散射层的研究涉及到海洋学家设计的复杂渔网。首先，他们降低声音设备来研究混响并确定层的深度。接下来，他们试图将渔网放置在发现散射声的深度。当他们把网拉进来时，他们发现了一系列的生物，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。

这种日常的深度穿越使得研究和理解这一层极其困难。对潜水员来说，每天潜水的最深部分太深了。光线无法到达这些深度，压力对人类来说是致命的，温度在0到5摄氏度之间徘徊。简而言之，早期的研究提供了对DSL的基本了解，但关于它的复杂性仍存在许多问题。

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。

勘探技术团队是国家地理实验室，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造一个机器人摄像机来研究DSL。他们的设计将基于现有的一款名为Dropcam的相机。Dropcam的设计是“称重和诱饵”，意思是在相机上绑上重物，并使用诱饵吸引海洋生物。当图像捕捉完成后，机器人摄像机放下重物漂浮到水面上。Dropcam对海洋最深处的居民成像非常棒，但它在研究DSL方面用处有限。

为了获得所需的洞察力，该团队需要设计一个能够与DSL一致在水柱中上下移动的摄像机。为了做到这一点，他们需要跟踪DSL的深度，然后根据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。但是你如何远程改变机器人摄像机的浮力呢?

为了应对这个设计挑战，研究小组转向了公元前250年的一项发现:阿基米德原理。在他的作品中,在浮体在美国，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。

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

的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。

为了校正控制系统，研究小组根据浮力引擎的数据，使用理想气体定律来确定气泡的潜在大小。他们用了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)，通过数字声学链路接收来自回声探测仪的信号来定位DSL。机器人下降到正确的深度，这样摄像机就可以在图层中对生物进行成像。采用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几乎无法到达的深度，团队想要尽量减少人工光的使用。尽量减少人造光的使用有助于确保准确观察DSL中的生物，因为人造光可能会吓跑一些物种，同时吸引其他物种。