探索世界上最大的生态系统——海底500米

国家地理开发水下机器人相机探索深海

海怪抓船的插图。

古代渔民长期以来都很担心海浪下的东西。神话中的海怪经常困扰着早期的水手。民间传说经常讲述巨大的生物屠杀毫无防备的船只。这些早期的水手们几乎不知道，每天晚上有大量的海洋生物冲上海面觅食，通常就在他们的船下面。

这个质量，即深散射层(DSL)，是第二次世界大战的声纳操作员首次发现的。这块东西太大了，人们误以为是海底。

海洋深处的散射层让专家们困惑不已。白天，它可以位于海平面以下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困扰着科学家们。

根据这种运动，科学家们知道这层岩层是由生物体组成的。了解这些生物将大大增加对基本海洋学和海底生命组成的基本知识。然而，挑战在于如何研究经常在海洋最深处、最黑暗的区域发现的东西。

早期研究散射层的尝试涉及海洋学家设计的精密渔网。首先，他们降低声音设备来研究回声并确定地层的深度。接下来，他们试图将网放置在发现散射声音的深度。当他们把网拉上来时，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，有人驾驶的潜水器被用来研究散射层，但这些潜水器只能工作有限的时间。我们了解到的是，DSL是由数以百万计的海洋生物组成的，比如在早期研究中捕获的生物发光灯笼鱼。虽然这种生物个体很小，大多数不到4英寸长，但它们庞大的数量在早期引起了船只声纳操作员的困惑。

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捕食，然后在白天潜到300到500米的深处，那里捕食者很少。这被称为diel垂直迁移。

这种每日的深度移动使得研究和理解这一层极其困难。每天潜水的最深处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，但关于其复杂性仍然存在许多问题。

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，以进一步加深对地球的了解。

勘探技术团队，部分国家地理实验室，建立和部署突破系统和硬件，以加速勘探。每年《国家地理》都会对海洋的复杂性，包括深海散射层，进行新的洞察。不幸的是，正如早期探险家所认识到的那样，研究海洋深处绝非易事。

国家地理的团队决定创造一个机器人相机来研究DSL。他们的设计将基于一款名为Dropcam的现有相机。Dropcam被设计成“称重和诱饵”，这意味着在相机上绑上一个重物，然后用诱饵吸引海洋生物。当图像捕捉完成后，机器人相机放下重物，浮到水面上。Dropcam在拍摄海洋最深处的居民时非常出色，但在研究DSL时用处有限。

为了获得所需的洞察力，该团队需要设计一种相机，它可以在水柱中上下移动，与DSL一致。为了实现这一点，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。这将确保摄像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相机的浮力呢?

为了应对这一设计挑战，团队求助于公元前250年的一项发现:阿基米德原理。在他的作品中，关于浮体在美国，锡拉丘兹的阿基米德提出，浸入流体中的物体被浮起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相机的体积。

该团队使用了一个浮力发动机来改变这种名为“漂移相机”的新型机器人相机的体积。这种深度控制还有一个好处，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)，与相机的电气系统框图(右)。图片来源:Berkenpas, et al。专利申请中。

的Driftcam

早期的漂移摄像机原型在控制问题上遇到了困难，在马里兰大学中性浮力研究设施的测试箱中上下浮动。一个可能的解释是系统中滞留的空气。

为了修正控制系统，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。他们用MATLAB^®仿真结果表明，该系统确实存在气泡。在排除滞留空气后，漂移摄像机正常工作。

漂移摄像头的重量超过90公斤(200磅)，通过数字声学链接从回波器接收信号来定位DSL。机器人下降到正确的深度，以便相机可以成像生物在这一层。Driftcam采用200万ISO相机，可以在极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，研究团队希望尽量减少对人造光的使用。尽量减少人造光的使用有助于确保精确观察DSL中的生物，因为人造光可能吓跑一些物种，同时吸引其他物种。