『新型傳感機器人帶你去感知深海』

撰文/陳雪飛

『新型傳感機器人帶你去感知深海』

撰文/陳雪飛

海洋是地球最大的生態系統，人類在探索海洋的過程中一直面臨著巨大的挑戰。現在，一種傳感機器人將推動人類對海洋的探索跨進新的篇章。

『麥德倫教授及其伙伴所設計的新型傳感機器人，可以分散成數百個部分，形成傳導并且共同傳達信息以探索深海。』

這種傳感機器人是一種裝配有生物傳感器的球狀設備，裝備有麥德倫和同事開發的微尺度組件。該組件實時監控測量活細胞的多種參數，進而將細胞活動與基因組信息聯系起來，從而顯著地擴展了海洋研究的視野。

正如麥德倫解釋的那樣：“我們正利用自動控制技術、傳感器、生物工程和系統的專業知識來開發專用的機器人，該機器人可以分散成數百個部分，形成傳導并且共同傳達信息以探索深海。這種傳感機器人可以連續監測海洋中的關鍵元素，并能對水下地震和海底熱泉一類的深海活動做出反應。這類研究對于更為透徹地認識微生物以及其他海洋生物、地質和化學元素等海洋中的多種系統是至關重要的。”

助理研究教授科迪和約瑟芬多年致力于發展傳感機器人技術,他們都是研究小組不可或缺的成員。2011年夏天，科迪教授開始將傳感機器人帶向深海。科迪教授所乘坐的是由華盛頓大學操航的世界級研究船——托馬斯·湯普森研究船。該研究船是美國國立大學海洋實驗室系統的一部分，同時是美國國家科學基金會海洋觀測站計劃的一部分。

『最新的傳感機器人是拳頭大小的球型透明機器人，這些傳感機器人通過亮藍色的發出光相互通信。』

雄心勃勃的傳感機器人工程包括在太平洋東北建設一條水下觀測電纜：從俄勒岡州海岸開始，至華盛頓和不列顛哥倫比亞省。觀測電纜提供高帶寬和高功率以傳遞實時的海洋觀測以及實驗。包括礦物質濃度的研究，氣體成分、生物生長繁殖以及極端微生物的詳細研究。傳感機器人通過觀測電纜得以自行充電以及下載資料，可利用的信息則通過觀測電纜迅速經過互聯網傳遞給世界各地的科學家和教育工作者。

球狀的機器人內部裝有電子設備和電池，表面則配有3個感知器分別用來測量pH值、溫度和含氧量。工作時傳感機器人將周圍的環境狀況匯報給內部的電子設備，它們將信息轉化成發光，進而提供一種視覺上的摩爾斯碼。

位于海底的高速照相機將收集并保存這些光信號以供之后在船上破譯。隨著傳感機器人技術的發展，這些機器人球體將覆蓋更大面積的海域，向核心數據中心傳遞更為規范的信息。最終，這些傳感機器人將形成能半自動化運行的機器人群。遠程控制通過精確控制它們穿過海水的量，使這些機器人群在三維幾何空間內精準地活動。

獨立運行的傳感機器人群在復雜、惡劣以及偏遠的環境也能發揮作用。利用安裝在傳感機器人平臺上的微量分析系統，這些人造水手能夠以時間和空間為索引從微觀層面上分析微生物群的基因組信息，同時也能從宏觀上觀察各種各樣的生物活動。

這種被稱為p3N的最新版本傳感機器人在各自獨立運行的同時具有聯網能力，族群中的各個成員可以借此相互交流。傳感機器人所應用的不是那些用于手機或其他陸基型所用的無限網絡，而是通過它發出的光信號來相互連接的多跳網絡。

科迪教授說：“海洋里有規模非常龐大浩瀚的景觀，傳感網絡因而非常刺激。”在空間的一個點上投遞一個非常昂貴的機器人，然后連續地使其到處移動經常會漏掉動態的現象。與之相反，一大批不昂貴的傳感機器人可以覆蓋更為廣闊的領域，實時觀測地震、生物生長以及其他階段性景象。

『“就像追尋散落一地的珍珠一樣，我們可以通過互聯網遠距離地追蹤傳感機器人。如此，我們獲得能源效率和光通信速度的全部好處而無需承擔光損失和海水衰減。”』

在最近的一次乘船漫游研究中，科迪教授借助一個名為“海洋科學遙控平臺”的加拿大遠程操作工具，幫助傳感機器人在海底定位。這次，傳感機器人被部署在一個深度超過1500米的深海熱泉內部和周圍，該熱泉位于一個海底火山噴口覆蓋區域之內。科迪教授在幾百平方米的海域內部署了20個傳感機器人，同時利用高速水下相機連續記錄下三天內傳感機器人監測的結果。

正在構建中的新型p3N傳感機器人將具有慣性監控裝置，這一裝置可以幫助它們感知其移動過的時間和地點。最終，為各個設備所獨有的機載推進系統將獨立地遠程控制這些裝置。而挑戰創造這樣的系統具有重大意義。應用慣性監控裝置技術，可以設計傳感機器人自動調整其浮力以利用海流中的自然運動。

研究小組將在蒙特雷灣水族館研究所的海底電纜環境下延續他們的傳感機器人實驗。小組的研究重點將集中在研究海底微生物上。“多跳節點”這一概念將發揮作用使研究可以在低成本、格式緊湊的模式下同時監測多個分析對象。此外，該研究還有其他潛在的應用價值，包括國家安全、傳染病學、污染物監測。

在實驗室中，一個傳感機器人發射出它的代碼，球型海底機器人正是借助于這些亮藍色的光脈沖傳遞有關其周圍環境的信息。高速照相機獲取光代碼信息，并將這些記錄和傳送的信息保存用于后續分析。