鲸鱼监测机器人是肩负使命的海洋窃听者

距玛莎葡萄园岛约 20 英里处，一个黄色的机器人浮标在水面上漂浮。与大多数数据收集浮标一样，这个系泊机器人正在窃听海浪下的世界。但与大多数浮标（其功能类似于浮动气象站）不同，伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 的这个浮标正在实时监听该地区的鲸鱼。就在本周，它检测到了一条塞鲸和一条长须鲸的存在。

该浮标是伍兹霍尔海洋研究所在美国东海岸和西海岸部署的众多机器人之一。这些浮标是自主平台，可以调节各种鲸鱼的鸣叫声：塞鲸、长须鲸、蓝鲸、座头鲸，但最值得注意的是极度濒危的露脊鲸。

露脊鲸在海洋食物网中扮演着至关重要的角色。与其他滤食性动物一样，它们以浮游动物和微小的甲壳类动物为食，然后在排便时将铁等营养物质回收并重新分配回海洋。鲸鱼也是宝贵的碳储存器，当它们死亡并沉没时，它们的尸体会变成海底生物的临时栖息地。但自 2010 年左右以来，露脊鲸的数量再次减少，尽管在 20 世纪末商业捕鲸法修订后，露脊鲸的数量在 21 世纪初略有增加。目前，估计只剩下 360 只露脊鲸。露脊鲸死亡的最常见原因是被渔具缠住和船只撞击，但人们怀疑气候变化也可能成为一种威胁。其他可能影响它们行为的人类海洋活动包括建筑或声纳等巨大、异常的噪音。

然而，一些科学家认为，使用航海机器人探测鲸鱼的存在可以帮助人类在鲸鱼周围航行时更加谨慎。今年 3 月，伍兹霍尔海洋研究所宣布，它正在与一家法国航运公司合作，研究如何将机器人的信息整合到他们的业务运营中。

伍兹霍尔海洋研究所的海洋生态学家马克·鲍姆加特纳的实验室负责操作这些浮标以及可以穿越大海以探测鲸鱼位置的机器人滑翔机。他说，他们还与风能公司、美国国家海洋和大气管理局、美国海军、政府机构和加拿大研究人员合作，研究如何使用这些工具来降低对动物造成伤害的风险。

在西海岸，这些浮标有助于监测大型海洋哺乳动物的活动，它们是鲸鱼安全系统的一部分，该系统绘制了加利福尼亚海岸鲸鱼和船只的活动图。

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机器人的工作原理

伍兹霍尔海洋研究所的研究人员目前正在使用 7 个浮标和 4 架滑翔机来帮助解决这一问题。浮标和滑翔机都使用相同的基本仪器和软件。更具体地说，该软件是由鲍姆加特纳编写的，用于识别鲸鱼的声音并创建“音调轨迹”，并将其发送给他实验室的研究人员。

该软件的概念很简单，最好用类比来解释。“想象一下，你正坐下来弹钢琴，钢琴上有一个魔盒，它会听你弹奏的内容，并吐出你弹奏的所有乐谱，”鲍姆加特纳说。“你可以把乐谱拿给音乐家，音乐家可以读出乐谱上的音符，并说你弹奏的是《玛丽有只小羊羔》。音乐家不必听你弹奏的内容。他们只需读出音符即可。”

该系统的工作原理类似。本质上，它识别声音并从频谱图或“音调轨道”（类似于乐谱上的音符）中创建声音的紧凑表示。然后，它将这些与现有鲸鱼叫声库中的音调轨道进行比较。根据分析结果，机器人将包含鲸鱼声音的音频片段转发到岸上的专用服务器。实验室的人类分析员会聆听这些片段，并最终判断是否检测到鲸鱼，并记录下声音的特征和发出声音的物种。

“很多鲸鱼的声音因物种而异。北大西洋露脊鲸发出的声音与长须鲸不同，”鲍姆加特纳说。“每个物种的音调轨迹都各不相同。”

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监听系统的硬件组件包括每个滑翔机和浮标内的一台计算机和一个水下麦克风。这些机器人还配有粒子运动传感器，可以帮助它们确定声音来自哪个方向。计算机通过铱卫星系统将数据发回实验室。从卫星上下来后，数据经过处理，并放在一个公开显示的中央网站上。这些数据还与美国国家海洋和大气管理局共享。

Slocom 滑翔机使用锂离子电池可运行三到四个月，浮标使用一组碱性电池，可持续使用一年。伍兹霍尔海洋研究所设计的系泊浮标非常安静，因此机载仪器可以有效地监听海洋声音。

浮标和滑翔机都具备双向通信能力。滑翔机每两小时向马萨诸塞州伍兹霍尔鲍姆加特纳实验室的一台计算机“打电话”。它不仅发送俯仰轨迹数据，还发送有关滑翔机运行情况、当前位置和预计目的地等各种信息。研究人员可以告诉它去其他地方，或者解决机上出现的问题。

“我们之所以选择不同的平台来应用这项技术，是因为有时你想长时间监控一个相对较小的区域。浮标非常适合这种情况，”鲍姆加特纳说。“如果你想监控更大的区域，自动驾驶汽车是个不错的选择。”

目前，这两个机器人的作用就像小学门前的警示灯，提醒车辆减速。但鲍姆加特纳和他的团队希望，这些机器人有朝一日可以通过电子邮件、短信、警报应用程序、政府软件或其他某种形式的通信，提醒船只或渔民在鲸鱼出现时要小心。

近实时检测

鲍姆加特纳研究鲸鱼和海洋声学已有十多年。早在 2005 年，他和他的同事就部署了具有被动声学监测能力的滑翔机。但很快，他们意识到，虽然收集声音并在几个月后进行分析对科学有益，但对保护或管理却无用。从那时起，他们开始改变系统以进行更多的实时检测。自 2012 年以来，他们已经更换了两个版本的海洋机器人，但软件基本保持不变。

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在美国，NOAA 设立了一项名为“减速区”的项目，在通过视觉或听觉发现鲸鱼的区域周围划出一个方框。该项目要求经过的船员减速至 10 海里或以下，或完全避开该区域。“该项目已经实施了大约两年。去年冬天，我们在东海岸设立了许多减速区，这些减速区是由我们的浮标和滑翔机触发的，”鲍姆加特纳说。“我们知道，当船只速度变慢时，撞到并杀死鲸鱼的可能性就会降低。”

另一方面，加拿大一直禁止捕鱼，并在鲸鱼出现时实施强制限速。

如果没有这个系统，发现游动鲸鱼的方法就是从飞机、无人机或船上勘察海洋。这些方法有助于从视觉上了解鲸鱼的情况，你可以从照片中判断它们是否被缠住、受伤、生病或死亡。但飞行仪器经常受到天气和风力条件的阻碍。使用成像技术，如果海洋上有太多白色泡沫，就不可能辨认出鲸鱼。与此同时，机器人，尤其是系泊浮标，可以随时监听。但只有当鲸鱼在该地区鸣叫时才能监听。

虽然这项技术很有用，尤其是对于减轻露脊鲸不常见地区的风险，但它无法单独解决这个问题。“这些系统只是不断提醒。但这还不足以让人们知道它们在那里。根据这些信息继续倡导对露脊鲸的更强有力的保护确实很重要，”鲍姆加特纳说。“还有很多其他的解决方案需要我们关注。”

仅靠机器人无法拯救鲸鱼

鲍姆加特纳说，加拿大在鲸鱼出没的地区强制实施限速措施是更有效的方法。“自愿与强制的区分非常重要，因为遵守强制船舶限速措施实际上相当好。自愿减速的遵守情况相当糟糕，”他说。

此外，鲍姆加特纳和他的团队正在考虑将机器人提供的信息应用于海洋产业。他们仍在努力解决的一个问题是将这些信息提供给谁。因为当一艘船要靠岸时，它需要准时卸货，安排码头工人到位，并让卡车司机准备好接收集装箱。“这是一个船长无法独自解决的业务问题。你把这些信息提供给谁？”鲍姆加特纳说。“你是把它提供给船长，还是提供给引航员、公司、调度员和业务规划人员，还是提供给在港口岸上安排物流的人、海岸警卫队，以便他们通知船只？”他们与法国航运公司 CMA CGM 集团合作的项目旨在找到这个问题的答案。

与此同时，为鲍姆加特纳部分浮标运营提供资金的海上风电公司也对机器人能否指导施工进度以及为往返维护风电场的船只提供最佳做法提出建议感兴趣。

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机器人并不是所有在海上靠近鲸鱼作业的行业的整体解决方案。例如，在美国，它们可能不适用于防止露脊鲸被渔具缠住。加拿大的渔业与美国的渔业不同。“他们在加拿大捕鱼时使用的渔具少得多。他们有捕鱼的季节，当捕鱼季节结束时，他们必须收拾好所有的渔具回家，”他补充道。“美国渔业完全不是这样，它是全年捕鱼，所以人们没有设备来收拾渔具并把它们带回家。”

除了捕鲸机器人，鲍姆加特纳和其他人还在研究科学家和制造商如何创新无绳捕鱼，让渔民更便宜、更轻松地将其纳入他们的业务。这样，即使有鲸鱼在场，他们仍然可以捕鱼，监管机构也不必因为在附近发现了鲸鱼而封锁整个区域。

“我们不会停止航运，也不会停止捕鱼。我们必须找到一种方法让这些行业可持续发展，避免它们对当今海洋和生活在其中的动物造成影响，”鲍姆加特纳说。“减轻我们对动物造成的这些风险的潜在方法之一是当我们知道鲸鱼在附近时改变工业实践。”