这些新机器人将深入海洋最深处

在马里亚纳海沟底部，在关岛附近一个叫做挑战者深渊的地方，在海平面以下 36,000 英尺处，来自上方海水的压力达到每平方英寸 8 吨的惊人压力——大约是海平面标准大气压的 1000 倍。一些比较让我们想象 100 头成年大象站在你的头上，如果你在这种压力下存活的时间足够长，你肯定会感到很痛苦。

但这并没有阻止人类冒险进入这个不适宜居住的地方。探险者只进行过几次这样的探险，既有载人系统也有无人系统，他们乘坐专门设计的能够承受压力的飞船。然而，他们从未以长期、系统的方式这样做过——但这种情况即将改变。

在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI)，一支由科学家和工程师组成的小团队正在开发一种新型自主机器人系统，名为“奥菲斯”，以希腊神话中一位冒险穿越冥界的人物命名。它们很快就能到达海洋最深、最黑暗的任何地方。

这个想法是开发一支小型自主飞行器舰队，它们可以在水下停留数小时甚至数天，收集大量数据和样本，帮助研究人员更好地了解从气候变化到生命如何在极端条件下生存等所有问题。难怪当科学家们考虑这种技术的下一个应用领域时，他们会把目光投向太空。

探索这里的海洋——以及其他世界的海洋

地球上的深海是人类探索和了解最少的地方。在所谓的深海带，即海平面以下 20,000 至 36,000 英尺的地方，压力巨大，一片漆黑，蕴藏着丰富的生命奥秘。

人们相信，如果太阳系其他地方存在生命，那么生命将会出现在木星（木卫二）或土星（土卫二）的冰层覆盖的卫星之一上，这两颗卫星的冰层下都有海洋。科学家表示，如果有生命，它很可能是以微生物的形式存在，就像在我们自己的海洋深处发现的微生物一样。或者可能会有完全不同的东西。一种新的生命形式。我们根本不知道。

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美国宇航局目前正在考虑通过登陆飞船探索其他卫星的冰层下方来寻找生命，但这可能还需要几十年的时间。与此同时，随着我们开发飞船在冰冷的外星海洋中着陆和潜入所需技术，我们正在将我们自己海洋的深处视为最接近的模拟。这项工作正在进行中。

与 Orpheus 一起潜水

两台 Orpheus 机器人已经建成，并正在美国各地的深海地点进行测试，包括新英格兰大陆架沿岸的一个巨大的水下峡谷，以及佛罗里达州海岸外的布莱克高原。每台机器人的大小与哈雷戴维森摩托车相当，形状像一个三明治，制造成本不到 20 万美元——比其他具有类似能力的水下机器人系统便宜得多。它们可以自主操作，在深海深处也可以操作，但也可以连接系绳工作。

奥菲斯项目是伍兹霍尔海洋研究所一项大型深海探索计划的一部分，该计划名为 HADEX，即深海探索计划。该计划有望开辟深海科学的新领域，帮助海洋生物学家更好地了解生物如何在深海的高压下生存。科学家认为，深海的条件如此不同，生存所需的适应能力也一定非常不同。探索海洋最深处可能会导致发现全新的生命形式，甚至可能是新的生命王国。

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“一旦超过 6,500 米，一切似乎都会发生变化，”伍兹霍尔海洋研究所深海生物学家、奥菲斯项目负责人蒂莫西·尚克 (Timothy Shank) 表示。“微生物系统似乎发生了变化。水体中的动物生命发生了变化。海底的东西也发生了变化。”

“我的意思是，它们有时会让人想起我们在其他地方看到的生物，”他继续说道。“有蠕虫，有虾。有这样的生物，但它们有不同的适应性。它们体内有不同的生物分子。它们做不同的事情来在那里生活。因此，关于它们如何在那里生活、新陈代谢、生理机能以及我们可以从中学到什么，有很多问题值得思考。”

这并不是尚克第一次探索海洋最深处。早在 2009 年，伍兹霍尔海洋研究所深海潜水实验室就设计了一个名为 Nereus 的机器人，它曾潜入马里亚纳海沟，并有望成为深海/深渊探索的主力。然而，2014 年在新西兰附近的克马德克海沟潜水时，Nereus 机器人与母舰失去联系并失踪。据认为，巨大的海洋压力很可能导致机器人内爆。

“这是一个耗资 1400 万美元的项目，”尚克说。“我们仅基于四次潜水就发表了十几篇新发现。太棒了。新物种，各种东西都发现了。”

自从海神号沉没以来，海洋最深处基本上已经不再允许研究人员进行长期探索。直到现在。

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“现在的想法是建造一种重量轻、制造成本低的自主水下航行器。我们可以拥有一支这样的舰队，然后把它们扔出去，它们会去勘测我们海洋最深处的海底，”尚克说。“让它们穿越很远的距离，把信息带回给我们。”

制造能够在巨大压力、完全黑暗、有时只有几百码宽的海底峡谷中航行的车辆并不容易。制造能够自行行动的自主机器人则更加困难。因此，Shank 求助于在制造能够应对极端恶劣条件的自主机器人方面拥有丰富经验的机构：NASA 的喷气推进实验室 (JPL)。

感知山水海景

几十年来，喷气推进实验室的科学家一直在开发可以在其他行星上自主运行的系统。他们已经将这些系统送往火星和遥远的小行星，但大多数系统都相对简单，无法达到他们最终希望实现的标准。没有哪个系统比我们想要送往另一颗行星的卫星海底的那些系统更具挑战性和复杂性。挑战是如此巨大，以至于直到最近，研究人员才拥有计算能力和专业知识来编写算法，以处理在这种极端环境中探索的所有意外情况和复杂性。

JPL 的 Orpheus 系统首席工程师 Andrew Klesh 表示：“自主性是我们进行探索能力的重大倍增器。它将使我们能够更大胆地提出科学问题和疑问，并实现返回数据的目标。”

这项努力的一部分将依赖于深海自动驾驶汽车通常不具备的传感能力。大多数水下系统依靠声纳进行导航，测量声波击中物体后的反射来确定位置、大小和形状。但 Orpheus 系统利用视觉能力，使用小型摄像机来绘制和记录当地地形。

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“它本质上就像一双眼睛，可以透过海底寻找我们能识别的特征，然后利用这些特征来确定如何前进，”克莱什说。“不仅是前进，还有我们的态度和方向如何变化。我们在火星上一直都在这样做。”但该系统的另一个非常有用的功能是，它可以记住它去过的地方。

在火星和海底，全球定位系统 (GPS) 等导航系统显然无法使用，因此探索太空中其他天体或深海的航天器需要使用不同的技术来确定它们的位置。通过记忆环境中的各种特征并在行驶过程中访问它们，这些新航天器可以了解它们的位置，并将这些信息提供给未来的探险。

当 Orpheus 穿越海底时，它将拍摄高分辨率的重叠图像，从而创建海底的三维图像。它还将携带大量传感器，使其能够探测热液喷口或低温渗漏的化学特征。

“因此，当我们谈论重新访问某些地区时，我们会确定一些有趣的地点，让科学家将采样器送下去，然后带回最有趣的东西，”克莱什说。

目前，最先进的自动驾驶汽车算法集被称为地形相对导航 (TRN)，它目前正在火星表面运行。2020 年火星毅力号探测器于 2021 年 2 月 18 日降落在红色星球的耶泽罗陨石坑，经过编程，NASA 可以快速自主地感知探测器相对于火星表面的位置，并在下降过程中根据需要修改其轨迹，从而让探测器安全着陆。它还允许探测器通过构建周围环境的 3D 视觉地图在火星表面的危险地形上导航。

通过在 Orpheus 飞行器中使用类似的系统，该系统可以执行许多任务，并提供可供分析的数据，工程师们能够进一步训练系统以适应未来，他们希望未来该系统将包括太空任务，包括潜在的木卫二任务。

“木卫二和地球的环境非常相似，”喷气推进实验室 Orpheus 号首席软件工程师 Russell Smith 在谈到两座海洋的压力时说道。“穿过冰层后，探索将与我们现在对 Orpheus 号所做的非常相似。”

坠入深渊

到目前为止，Orpheus 平台仍处于测试阶段，但 Shank 表示，最早可能在 2022 年就可在该星球的某个深海沟进行潜水。迄今为止进行的测试表明，该潜水器将在深海表现良好。Shank 表示，最近一次测试于 5 月从美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 的Okeanos Explorer发射，结果令人鼓舞。

“我们用 [Orpheus] 潜水器潜水了八次。它表现得非常棒，”他说。“我们研究了高度保持、转弯，以及这东西保持航向的能力。它非常成功。我们在八次潜水中行驶了 24 公里 [15 英里]。我们对海底进行了成像，制作了它的 3D 马赛克。我们船上有一个化学传感器，可以感应现场情况，并且在我们行驶时可以感应到水中氧气含量的差异。”

随着奥菲斯系统不断取得进展，喷气推进实验室的科学家们开始将目光投向天空，但从深海到深空的跨越并非一朝一夕之功。

“我们还要几十年才能发射探测车去探索土卫二和木卫二的海洋，”克莱什说。目前有几个项目正在进行中，比如木卫二快船计划，它将对木卫二进行详细调查，以确定它是否具备适宜生命生存的条件。但克莱什说，“还有很多工作要做。”

尚克表示，需要学习的东西还有很多，现在是时候采用一种比过去更便宜、更灵活的系统来学习了。

“有这么多问题，真是令人难以置信，”尚克说。“我们的计划是开启一个新时代，这不仅是科学发现的时代，也是技术发现的时代。”