无人机可以带科学家去陌生的地方——比如鲸鱼鼻涕内部

伊恩·科尔今天心情不好。他和他的研究团队整个上午都在乘坐摩托艇巡游墨西哥湾，追捕抹香鲸，希望能得到组织样本带回实验室。但这些庞然大物总是令人沮丧地难以捉摸。有一次，科尔在船头保持平衡，准备射出一把改良的十字弓，以便从鲸鱼的侧面射出一块铅笔橡皮擦大小的鲸脂。但就在他靠近到可以射出的时候，鲸鱼却潜了下去——这是他当天第五次潜入水中。抹香鲸的潜水时间为 45 分钟到一个小时，所以一旦它们潜入水中，就再也回不来了。在船上待了 9 个小时，每天的租金约为 2,000 美元，却没有任何数据可显示，科尔担心自己在浪费资金和捐赠者的钱。 “感觉就像站在冷水淋浴中撕碎一百美元的钞票，”生物学家 Kerr 说道，他管理着非营利研究机构 Ocean Alliance。就在那时，有两件事让他震惊：一团翻滚的鲸鱼粘液和顿悟。“我坐在那里怒气冲冲，鼻涕云笼罩着我，”Kerr 说。鲸鼻涕“又臭又难闻”，他说，“但作为一名生物学家，任何又臭又难闻的东西可能都是有用的。我想知道我们是否可以收集和研究鼻涕。”

他那恶臭可怕的预感是正确的。事实证明，鲸鱼鼻涕中含有 DNA、病毒、激素和微生物——所有这些都对各种科学家非常有用。有了 DNA，遗传学家可以判断动物是该地区的本土动物还是路过，流行病学家可以追踪传染病的传播，生物学家可以分析激素，看看动物是否因压力过大而无法生育。

唯一的障碍是弄清楚如何弄满一桶鲸鱼鼻涕。但科尔有一个想法：出于业余爱好，他制造并驾驶遥控飞机。类似的技术能在空中捞起鲸鱼鼻涕吗？

SnotBot 的起源故事就是这样的：一架覆盖着培养皿的六旋翼无人机，用于收集鼻涕以供科学研究。在接下来的几年里，Kerr 的团队 Ocean Alliance 在马萨诸塞州奥林工程学院学生的帮助下开发了这款机器人，其想法是让鲸鱼科学研究对研究人员来说更容易，对鲸鱼的伤害更小。

通常，海洋生物学家会采用与克尔失败相同的技术：用配备长棍和改装弩的摩托艇来收集鲸鱼活检样本。但克尔希望这些飞行研究机器人能很快改变这一现状。它们是该领域正在发生的一个更大趋势的一部分，科学家们正在使用无人机来获取以前难以收集的数据。

无人机显然正迎来辉煌时刻。农民正在使用温度感应无人机监测农作物。气象学家和气候学家正在派出无人机追踪风暴和飓风，快餐连锁店甚至在试验用无人机送披萨。但这项技术也已被证明可用于研究偏远地区行踪不定的动物，无论是印度尼西亚树上的猩猩还是海洋中央的鲸鱼。

而且它们的作用可能不止是进入难以到达的地方。“像 SnotBot 这样的技术是科学民主化的催化剂，”Kerr 说。租用研究船前往偏远地区，整个行程的费用可能接近 20,000 美元。无人机通常可以完全消除对这种船只的需求。一套完整的 SnotBot 套件（包括摄像头）售价约为 4,500 美元——并且可以反复使用。

在机器人能够成为标准研究工具之前，它需要证明自己的价值。目前还不清楚鲸鱼粘液是否能够提供研究这种巨大动物所需的激素和 DNA 的一致测量数据。

鲸鱼的喷鼻液是一种弥散的基质，受到海水的严重污染，”波士顿新英格兰水族馆的海洋生物学家利兹·伯吉斯 (Liz Burgess) 说道。这对于简单地检测鼻涕云中存在哪些分子来说还好，但要持续获得压力激素的精确浓度呢？算了吧。“这绝对没那么容易。”

伯吉斯也研究鲸鱼喷水，但她用的是老式方法：用一根 30 英尺长的杆子。她说，将无人机和传统方法结合起来最终可能会成为一种理想的情况。

除了 SnotBot，海洋联盟还在开发其他无人机，比如可以探测红外线的 FLIRBot。研究人员只需观察鲸鱼的喷水孔就能测量它们的体温。他们还在开发 EarBot；它可以降落在水面上，关机，然后聆听鲸鱼的叫声。

无人机在科学领域占有一席之地，这一点毋庸置疑。甚至联邦政府也参与其中。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 与一个无人机项目合作，该项目可以被动地监听鲸鱼的声音。这个名为 Saildrone 的机器人可以监测多个鲸鱼种群，包括北太平洋露脊鲸，这种鲸鱼目前仅剩 30 头。

“尽我们所能监测这些动物真的很重要，”美国国家海洋和大气管理局阿拉斯加渔业科学中心的生物学家、Saildrone 首席声学研究员杰西卡·克兰斯 (Jessica Crance) 说道。克兰斯表示，被动声学似乎是实现这一目标的最佳方式。

Saildrone 长 23 英尺，高 15 英尺。它被部署在大西洋、墨西哥湾和北太平洋露脊鲸栖息的白令海。该无人机没有动力，依靠电池和太阳能来转动帆和导航。研究人员只需输入坐标，无人机就会到达目的地。

这些机器人对于北太平洋露脊鲸等物种尤其有用，因为它们很少浮出水面，所以很难被发现。帆船机器人可以静静地停在海浪上，听鲸鱼说话，然后追踪它们。由于它们可以在海上停留数月，克兰斯希望用它们绘制迁徙路线。这可能是物种保护的关键数据；例如，如果研究人员发现鲸鱼迁徙路线上的一片水域异常温暖，或者食物短缺，他们可能就能查明为什么这么多鲸鱼灭绝了。

但这个项目也同样存在一些障碍需要克服。研究人员仍在努力使声音记录足够清晰，以便辨别水下发声的不同物种。

“我们的梦想是让这些录音足够清晰，以便监测白令海的任何物种，”克兰斯说。“如果我们到了那里，我们可以将其用作实时工具——如果我们听到露脊鲸的叫声，我们可以警告并转移附近的船只。”她补充说，除了鲸鱼之外，这项技术还用于研究其他动物，如海豹和各种鱼类；使用多个 Saildrones 和类似于声纳的技术，研究人员可以在这些动物迁徙和改变栖息地时对它们的位置进行三角测量。

然而，无人机技术并不总是让研究变得经济实惠和容易的魔杖。美国国家海洋和大气管理局的海洋生态学家梅根·弗格森 (Megan Ferguson) 研究使用 ScanEagle（一种军方使用的类似飞机的无人机）来代替载人飞机从空中统计鲸鱼数量。她在 2015 年的研究中发现，这两种方法估算的鲸鱼数量相同，但使用 ScanEagle 需要更多的劳动力和资源。

“分析员花了七个小时分析 ScanEagle 一小时的飞行情况，”Ferguson 说。“这是一项巨大的时间和人力投资。”

但人工智能的出现可能会改变这一现状。弗格森表示，机器学习最终可以教会无人机自行寻找鲸鱼，而不是依靠人类分析师仔细检查收集到的所有数据。

科尔表示同意。“实际上，要让无人机在喷水时位于喷水孔后面的正确位置是相当困难的。请原谅我的谦虚，我的飞行员技术还不错，”他说。但借助机器学习，无人机可以学会如何在有风的条件下保持原位，并适应鲸鱼的行为——本质上就是自己飞行。

那么，无人机（无论是否具有人工智能）是否能够取代人类在海上作业的手呢？

“无人机在某些方面很有用。它们可以轻松获取照片，而且不会干扰鲸鱼的行为，”克兰斯说。“但重要的是要记住，有些事情你只需要船上有人，”比如那些通过弩收集的组织活检。

尽管如此，无人机似乎有望让鲸鱼研究的侵入性大大降低，并以全新的视角向科学家展示鲸鱼。“经过 30 年的研究，我终于可以用无人机观察鲸鱼，看到了一些你只能在船上想象的行为和活动，”科尔说。“如果没有无人机，我就不能再研究鲸鱼了。我做不到。”

本文已更新，以反映 Saildrone 长 23 英尺、高 15 英尺的事实，而不是长 7 英尺、高 7 英尺。我们对此错误深表歉意。