耗资两百万美元的海洋变化追踪竞赛

登上R/V Kilo Moana 号，紧张的气氛显而易见。

五支队伍紧张地盯着水面，而玫瑰花结则从深海缓慢地爬回。这台海洋仪器装载着装满水样的灰色高瓶，还有五个紧紧绑在框架上的实验性 pH 计。这笔钱真的值几百万美元，这些队伍已经为温迪·施密特海洋 XPrize 的参赛作品努力了一年，他们急切地想知道它们是否能经受住 10,000 英尺深、漆黑的海洋之旅。

海洋酸化——全球变暖鲜为人知的近亲——是气候变化给海洋环境带来的最大威胁之一。当二氧化碳溶解在海水中时，海水会变得更酸，给珊瑚等重要物种带来压力甚至导致其死亡。第二届 Ocean XPrize 旨在引起人们对这一严峻问题的关注，并激励那些有助于科学家记录和了解海洋化学变化的技术：200 万美元奖金用于奖励有史以来最准确、最高效、最方便用户的海洋 pH 计。

在实验室中测量 pH 值很容易，因为台式电极可以轻松校准并存放在理想条件下以防止损坏。但咸海是不可预测的、腐蚀性的，并且充满了生物，这些生物会结壳并吞噬进入它们地盘的任何东西。此外，海洋很深——一个好的设备必须既能在水面上使用，又能在潜水器探索最黑暗的深处时提供数据。科学家需要一种坚固耐用、准确且价格合理的 pH 计。

200 万美元的奖金分为两部分。对于 100 万美元的性能奖金，准确性、精确性和稳定性是最重要的品质；另一半奖金将颁给在经济性和易用性方面得分最高的团队。“如果有一种设备可以做到这一切，那它就大功告成了，”Wendy Schmidt Ocean XPrize 的高级总监 Paul Bunje 说。“如果你能做到这一切，你就能赢得全部 200 万美元。”

本周一，获奖者名单将在纽约市温迪·施密特海洋 XPrize 颁奖晚会上公布。此次活动还将举办一场关于海洋健康未来的小组讨论，嘉宾包括美国国家海洋和大气管理局首席科学家理查德·斯宾拉德和海洋领导力首席执行官谢里·古德曼。在此之前，各团队都在祈祷好运。

瞄准目标

最初有 77 支队伍瞄准了这一奖项，但只有 26 支队伍能够及时准备好原型。去年 9 月，其中 18 支队伍通过了初赛，并在蒙特雷湾水族馆研究所接受了比赛的首次真正考验：准确性和稳定性。“我们的实验室设置非常精确，”技术运营总监 Jyotika Virmani 解释道。Virmani 负责监督每轮比赛的设施安排以及科学验证团队。在实验室条件下进行两个月后，14 支队伍前往西雅图，在不断变化的沿海条件下接受测试。除了性能之外，每个团队的评判标准还包括其经济性和易用性。“因为我们想要的是人们可以使用的传感器，”Virmani 重申道。“这样你就可以把它分发给管理人员，甚至公众和学校。”

五款入围传感器在R/V Kilo Moana号上进行了最后一次测试，该船由美国海军所有，由夏威夷大学海洋中心运营。各团队在 ALOHA 站待了一周，该站位于瓦胡岛以北约 100 英里处，是一块面积为 110 平方英里、经过深入研究的海域。这些传感器在公海条件下经过了严格测试，包括测试它们能否在 0 至 3,000 米深的海域创建完整的 pH 值曲线。

如何才能取胜

评委们将五个传感器的结果与参考数据进行比较，以确定准确性等标准——正如 Bunje 所说，生成这些数据绝非易事。XPrize 汇集了世界上一些最优秀的 pH 科学家，由位于西雅图的国家海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室的高级科学家 Richard Feeley 领导。“我们必须带上实验室，”Bunje 说，“一个 20 英尺的集装箱，里面有一个实验室和价值数十万美元的设备。”

一些传感器使用的技术与 Feeley 的验证团队使用的技术非常相似，但其他传感器则完全不同。“我不确定我们会看到多少种不同的技术，”该奖项的评委之一 Chris Kellogg 表示。她对多样性印象深刻，不仅是方法，还有团队本身。“有一个来自加利福尼亚的高中生团队，”她说。“他们从对海洋 pH 值一无所知，更不用说如何测量它，到建造一个传感器并让它工作并提取一些非常棒的数据，学习曲线非常快，令人难以置信。”

虽然这些青少年未能进入决赛，但五支决赛队伍代表了五种完全不同的 pH 测量技术方法。他们来自挪威、日本、英国和美国。他们投入了大量的时间和金钱。“当你开始把所有这些团队为创造创新所投入的资金加起来时，我们发现在每届 XPrize 比赛中，团队的投资都是奖金的十倍。所以这些团队投入的资金是奖金价值的 10 倍。”

获奖者名单将于 7 月 20 日公布，但即便如此，比赛也并未真正结束，Bunje 说道。“XPrize 的口号之一是，真正的改变发生，真正的奖励从赢得奖金的那一天开始，因为从那一刻起，他们就会开始真正改变世界。”

决赛入围者

木质部团队

• 原产国：挪威/美国
• 团队负责人：Jostein Hovdenes
• 技术方法：光学

Xylem 在设计和制造水生传感器方面拥有数十年的经验，因此进入决赛并不完全令人意外——或者至少，这是团队负责人 Jostein Hovdenes 给你的印象，他话不多，说话轻声细语，自信满满，会让你觉得团队在比赛中胜券在握。“我们有氧气、电导率、盐度等传感器，”他解释道。“所以 [pH] 实际上是下一个合乎逻辑的步骤。”

Xylem 制造了一种光学 pH 电极，以满足 Ocean XPrize 竞赛的严苛要求。他们的新传感器可装入已经很受欢迎的 Seaguard 传感器外壳中，因此可以与该公司目前销售的其他海洋仪器一起使用。

Xylem 的传感器依靠荧光染料，该染料会根据周围水的 pH 值改变颜色。LED 将蓝光照射到含有这种染料的薄膜上，传感器读取发出的颜色以确定 pH 值。没有移动部件，整个系统消耗的电量非常少，非常适合电池寿命有限的长期部署。另外，外壳的额定深度已经达到 6,000 米，因此团队不太担心在深海会出现问题。

虽然外壳已经过测试，但 pH 传感器本身相对较新，Hovdenes 认为他们“本来可以做得更好”。虽然他对具体细节含糊其辞，但 Hovdenes 提到，比赛揭示了“与我们的技术相关的陷阱”，他对该团队获胜的几率“不太乐观”。

当我问霍夫德内斯，如果赢得比赛，他和他的队友会做什么时，他的回答简洁而迷人：“我们希望改变测量海洋 PH 值的方式。”

旭日传感器

• 原产国：美国
• 团队负责人：詹姆斯·贝克
• 技术方法：分光光度法

分光光度法（测量已知波长的光穿过物质后的强度）是检测 pH 值的“黄金标准”。因此，在某些方面，Sunburst Sensors 采用传统方法制造 pH 传感器，使用数十年来普遍使用的相同总体技术。“该方法很简单。所以这是一个强项，”Sunburst Sensors 团队负责人兼首席执行官 James Beck 说道。

Sunburst 的传感器 T-SAMI（钛潜水自主系泊仪器 pH 值——“我们在命名方面不太聪明，”贝克指出），由一小块区域组成，水从周围的海洋中抽出，并与染料混合，染料的颜色取决于 pH 值。然后，传感器将光线照射到现在有颜色的水，测量吸收了多少光，从而告诉仪器水是什么颜色——以及 pH 值。

这与 XPrize 分析团队用来创建参考值的方法几乎相同，评委将根据这些参考值与各团队进行比较。“他们基本上是在工作台上进行这项工作，而我们则使用设备进行这项工作，”贝克说。

不过，T-SAMI 的一大缺点是速度太慢——它无法进行快速、连续的测量，因此在创建完整的 pH 深度剖面时，它处于不利地位。“水温在不到一小时内从室温降至几乎冰点，pH 值和压力也在快速变化，”他解释说。T-SAMI 可能根本无法跟上速度更快的传感器。

还有价格：Sunburst 的常规 SAMI 型号售价高达 17,000 美元，而且这款产品采用钛金属制成，这是一种更昂贵的金属外壳。

但贝克最担心的是，当它们下潜到 3,000 米深的水下时，所有活动部件将如何运作。该公司位于内陆州蒙大拿州，因此从未能够在深海公海测试他们的传感器。“我们根本无法模拟这种情况，”他说。

贝克对他们的获胜机会持乐观态度，但更令他兴奋的是比赛提供的机会。“如果我们赢了，那当然很好，但最终希望我们能更明智地对待我们所做的事情。”

高压氢

• 原产国：日本
• 队长：中野义之
• 技术方法：混合法（玻璃电极+分光光度法）

团队名称说明了一切：HpHS 代表混合 pH 传感器，是唯一使用两种传感技术的传感器。它将两种久经考验的 pH 测定方法结合在一个时尚的模型中，从而兼具两全其美的优势。

与 Sunburst Sensors 的型号一样，HpHS 传感器也有一个分光光度 pH 检测器，它使用变色染料来确定 pH 值。但由于这种方法速度慢，而且涉及大量活动部件和试剂，因此团队将其连接到一个单独的电极上。类似于 HpHS 电极一半的技术是一种非常常用的 pH 测量方法。这些电极含有液体，这些液体会对水中的氢离子产生反应，从而产生电压变化。可以与参比电极（对相同离子没有反应）进行比较来读取该电压，并使用将电流差与离子浓度联系起来的方程式计算 pH 值。

虽然每种方法都有各自的缺点，但组合使用可以避免一些缺点。正如团队负责人 Yoshiyuki Nakano 解释的那样，“分光光度系统非常准确，但耗能更多”，而电极“不太准确，但耗电量更少”。

拥有两种传感器类型的巨大优势在于：传感器可以自我校准，因此可以根据环境波动随时调整。电极可以快速测量，但容易偏离其校准设置，因此需要经常重新检查。在 HpHS 模型中，分光光度计的一半会为电极进行校准，从而避免出现该问题。

这是世界上唯一的混合传感器，中野自信地说。他们认为他们有很大机会获胜，但不会说他们会赢。“我们期待看到获奖后的结果和可能性。”

Durafet 团队

• 原产国：美国
• 团队负责人：鲍勃·卡尔森
• 技术方法：电位法（离子敏感场效应晶体管电极）

Durafet 团队的成员在 pH 传感领域并非新手。他们花了五年时间、五百多万美元设计、建造、校准和测试深海 Durafet pH 传感器的原型。他们的完整模型已经下潜到 2,000 米深的水下，是所有入围者中下潜最深的，并且在现场测试中能够同样轻松地应对温暖的热带海洋和南极洲的冰冷水域。“我们已经建造这些东西好几年了，所以我们已经解决了第一个问题，”该团队的巡航代表 Yui Takeshita 说。

Deep-Sea Durafet 中使用的电极与 HpHS 传感器中的电极类似，但电极不使用玻璃，而是使用一种可直接响应氢离子的特殊材料。这种“离子敏感”电极和参考电极（对氢离子不敏感）在电路中同时暴露在水中，根据产生的电流，可以计算出水的 pH 值。

但 Takeshita 解释道，大多数电极对于公海用途来说都过于脆弱。因此，Durafet 不得不与商业电极生产商霍尼韦尔合作多年，才制造出目前用于深海 Durafet 的 Durafet-3 电极。

使用电极的缺点是它们需要经过很好的校准——一切都依赖于参考电极和电路，所以如果海水从不该漏进来，一切都会崩溃。虽然 Takeshita 确信该模型在 2,000 米的深度下也能正常工作，但这仍然比挑战的要求少 1,000 米。Deep-Sea Durafet 的价格也非常昂贵。

尽管如此，Team Durafet 经过充分测试的模型仍然是最难击败的，而 Takeshita 也知道这一点：“我对自己获胜的几率很有信心。”

ANB 传感器

• 原产国：英国
• 团队负责人：Nathan Lawrence
• 技术方法：电化学

有些人可能认为 ANB Sensors 在竞争中处于劣势——毕竟，他们只是在第一个实验室试验前一个月才开始制作原型。“在第 2A 阶段开始前的凌晨三点，它无法工作，”劳伦斯笑着说。“但最终，我们让它工作了。”

他们的“pHenom”传感器使用专利固态电极，不含任何真空或气室。pHenom 包含多个电极，每个电极都有自己独特的化学性质，能够对水中某些离子的浓度作出反应并输出电压。“传感器的神奇之处在于电极的化学性质，它可以根据 pH 值改变电极间的电压，”该团队解释道。“除此之外——并且保持安静——系统非常简单。”

固态电极为 ANB 提供了一个巨大的优势：无需校准。pHenom 可以放入任何地方的任何水中，并且易于使用。

他们的模型还具有其他几个突出的特点。乍一看，它就是与众不同：扁平的白色 3D 打印外壳与其他四支队伍的圆柱形金属传感器形成鲜明对比。它也是唯一一款能够明确解决海洋仪器最令人沮丧的问题之一的传感器：生物污损。任何被放入海洋的东西都会成为从藤壶到海绵等各种生物的栖息地，这些生物会损坏仪器，而且清除成本高昂。pHenom 由一种特殊的塑料制成，可以抵抗海洋生物的附着。但最重要的是，它的制造成本是迄今为止最低的。该团队估计它的成本约为 1,000 美元——仅为决赛中其他模型价格的十分之一或更低。价格、低维护外壳和易用性使其成为经济实惠的有力竞争者。

然而，该团队很快指出，虽然他们的技术便宜且易于使用，但也未经测试。“深度和压力是最大的问题，”劳伦斯说。在这场决赛中，他们的传感器将接受评判，看它在水下 10,000 英尺左右和水下上行时的表现如何——而在比赛之前，一个团队将 pH 传感器带到水下的最深处是 10 英尺。

当我问劳伦斯和他的队友威廉·巴罗是否认为他们会赢时，他们非常有信心。“不，”巴罗坚定地回答道，两人笑了起来。劳伦斯摇了摇头。“不可能。”