探索全球最大的生态系统 - 海面以下 500 米
Nat Geo 开发水下机器人摄像头探索深海
图中北海巨妖正牢牢抓住一艘船。
从很久以前开始，古代渔民就对海洋深处充满了恐惧。神话中的海怪让早期的水手谈之色变。民间经常流传着庞然怪物袭击毫无防备的船只、屠戮水手的传说。这些早期水手不知道的是，有大量海洋生物会在夜间浮向水面觅食，往往就在他们船下。
这种大型深海散射层 (DSL) 是由第二次世界大战中的声呐员首先发现的。它具有非常大的质量，以至于曾被误认为是海底。
深海散射层让专家们感到困惑。白天，它可能位于海面下 500 多米的地方。晚上，它几乎又会浮出海面。但它到底是什么，为什么会以一日为周期进行移动？在发现深海散射层后，这些问题曾困扰了科学家们数十年。
根据这种昼降夜升现象，科学家们知道散射层由生物组成。了解这些生物将大大丰富基础海洋学和海底生物构成的基础知识。然而，面临的挑战在于如何研究通常在海洋最深最暗的区域发现的东西。
在早期尝试研究散射层时，海洋学家们使用了精心设计的渔网。首先，他们将音频设备沉入海里来研究混响，并确定散射层所在的深度。接下来，他们尝试在发现散射声音的深度放置渔网。收网之后，他们捕获了一大堆生物，其中不乏虾和灯笼鱼。
后来，在 20 世纪 60 年代，载人潜水器在散射层研究中得到了应用，但这些潜水器的作业时间十分有限。据了解，DSL 蕴藏着数百万的海洋生物，例如早期研究中捕获的生物发光灯笼鱼。虽然这些生物个体很小，大多数长不到 10 厘米（约 4 英寸），但其绝对数量极其庞大，让早期的船上声呐员产生了错觉。
DSL 每天都有升有降，因为该层中的生物夜间会游到营养丰富的海面觅食，白天则潜到水下 300 到 500 米深的地方，这里的捕食者要少得多。这就是所谓的昼夜垂直迁移。
这种昼夜深度来回变化使得研究和了解散射层变得极其困难。该层每日潜到水下的最大深度远超潜水员所能企及的深度。没有光线能够到达这些深度，压力也对人类构成致命威胁，而且温度徘徊在 0 到 5 摄氏度之间。简而言之，早期研究仅对 DSL 做了基本了解，但是关于其复杂性还存在着诸多疑问。
《美国国家地理》探索 DSL
130 多年来，美国国家地理学会一直致力于通过对科学、探索、文化和教育领域的投入推动对地球的进一步了解。
探索技术团队隶属于美国国家地理实验室，负责构建和部署创新性的系统和硬件来加速探索。每年，《美国国家地理》都会收集关于海洋复杂性的新见解，包括深海散射层。遗憾的是，正如早期探索家们所认识的那样，研究海洋深处远非易事。
《美国国家地理》的团队决定打造一款机器人摄像头来研究 DSL。他们基于现有的摄像头 Dropcam 进行了设计。Dropcam 采用“配重加诱饵”设计，即在摄像头上捆绑重物，并用诱饵来吸引海洋生物。完成图像捕获后，机器人摄像头会丢弃重物，浮到海面上。Dropcam 非常适于拍摄栖居在海洋最深处的生物，但要用于研究 DSL 就显得捉襟见肘。
为了深入了解这一复杂现象，该团队需要设计一款可跟随 DSL 在水柱中上下移动的摄像头。为此，他们需要跟踪 DSL 的深度，然后根据此垂直位置改变机器人的浮力。这将确保摄像头会随着 DSL 的每日迁移而一起漂移。但是，如何远程改变机器人摄像头的浮力呢？
为了应对这一设计挑战，该团队转而利用公元前 250 年的一大发现：阿基米德原理。敘拉古的阿基米德在其著作《浮体论》中提出，浸入液体中的物体所受的浮力等于该物体排开液体的重量。因此，为了改变浮力，该团队需要改变机器人摄像头的体积。
他们使用了浮力引擎来改变新机器人摄像头 Driftcam 的体积。这种深度控制还有另外一个优点，那就是操作安静，噪声小，不会吓跑附近的鱼。
Driftcam 的机械设计（左），以及摄像头的电气系统模块图（右）。图片所有权：Berkenpas 等人。正在申请专利。
Driftcam
早期的 Driftcam 原型机存在难以解决的控制问题，它在马里兰大学中性浮力研究机构的测试槽中总是上下浮动。一种解释可能是系统中留有空气。
为了更正控制系统，该团队根据浮力引擎的数据，运用理想气体定律来确定气泡的可能大小。他们运行了 MATLAB® 仿真，确定该系统中确实存有气泡。排出残留的空气后，Driftcam 便能正常工作了。
Driftcam 重 90 千克（200 磅）以上，通过数字声学链路接收来自回声测深仪的信号以定位 DSL。机器人要下沉到正确的深度，以便摄像头可以拍摄散射层中的生物。Driftcam 采用 200 万 ISO 摄像头，可以在光线非常暗的环境下拍摄图像。这一点至关重要，因为该生态系统中的生物栖居在阳光几乎无法到达的深度，并且该团队希望尽量减少人造光的使用。这样做有助于确保准确观测 DSL 中的生物，因为人造光在吸引一些物种的同时可能会吓跑另一些物种。
“Driftcam 将图像保存为 RAW TIFF 格式，”Berkenpas 说道。“因此，我们使用 MathWorks 的计算机视觉和图像处理工具可将它们转换为可播放的视频。”
Driftcam 在加利福尼亚湾的部署位置（左）。回声测深仪用于定位 Driftcam（右）。图片所有权：Berkenpas 等人。
使用中的 Driftcam。图片所有权：David McAloney，美国国家地理实验室
探索 DSL 的后续步骤
Driftcam 已在波多黎各和加利福尼亚湾等不同的地方部署了 30 多次。它们都有着出色的表现。但是，每次部署都需要研究船和团队留驻现场。
该团队的下一个项目涉及更新 Driftcam，以便可将它们部署在自主摄像头群中。其目标是让这些设备能够进行交互，并将散射层的位置视为优化问题。Driftcam 可以相互通信，以定位和跟踪深海散射层。在 NOAA 的慷慨资助下，美国国家地理实验室正与马里兰大学联合开展这项研究。
如果打造一个自主协作式摄像头群，则无需在船上部署回声探深仪，也不需要船员留驻现场，还能帮助该团队收集有关地球上最大生态系统的详细信息。
