自动潜水器

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  自动潜水器(AUV)专门用于执行那些对载人船艇而言非常危险或者远程遥控工具需要很长时间才能完成的任务,它们也能够进入依靠其它工具无法到达的海域。今年,名为“深海自控探索者”(ABE)的机器人潜水器帮助研究人员成功地揭开了Calapagos峡谷附近的“玫瑰园之谜”。这一事件可以看作是自动潜水器开始执行科学使命的标志之一。
  在过去三年里,研究人员借助自动潜水器对美国海岸海藻的过渡生长、北海鲱鱼的行踪以及新的重要油气蕴藏区相继进行了研究和勘探。在未来的几个月里,在寒冷的南极冰架下,在墨西哥湾有毒的红潮中,在加利福尼亚海岸冷而营养丰富的海水里仍会出现它们探索的身影。如果以上开拓性的项目获得成功,那么这些可以进行长达数月的远航,也可以潜伏不动对海底世界进行悉心研究的机器人探测器,将会遍布未来的海洋世界。
  海洋科学家喜欢将他们对浩瀚海洋的研究与苍穹探奇作比。在他们看来,自动潜水器就像是无人驾驶航天器,它们装载着大量的科学仪器,长途跋涉到极端恶劣的环境中实施科学考察。不过,此前自动潜水器曾长期被认为是不可靠和不稳定的。1994年,在“深海自控探索者”的处女航中,由于投弃压舱物的装置发生了故障,它被困在海底无法上升。最后,依靠载人潜水艇它才幸免于难。2000年,英国南安普敦海洋研究中心开发的一艘自动潜水器Autosub也经历了类似的险情:当它被卡在海底的悬崖下时,由于没有倒车装置,无法按照程序设计的那样上浮到水面。
  近几年,随着能够协调不同计算机控制海洋机器人各部件的分布式网络架构的开发,以及更为复杂的导航工具的发展和潜水器操控人员经验的不断积累,自动潜水器开始在实际应用中展示自身的价值。
  除专门用于探测深水海域的“深海自控探索者”外,其它用于探测距离洋面更近水域的自动潜水器也纷纷问世。鱼雷状的Autosub便是其中之一。在过去的几年里,它已经在海洋勘测中发挥了重要作用:它不仅发现了对鱼群进行声纳勘测的舰船引擎所发出的噪声不会吓走鲜鱼的现象,而且还对南极冰面下磷虾的栖居地进行了勘测。
  近日,Autosub将开始执行迄今为止所面临的最富挑战性的使命。在英国南极勘查小组吉凯恩斯的领导下,研究人员将7米长的Autosub送入南极洲冰架下,它将穿过松树岛冰川冰架下的阿蒙森海,为英国自然环境资源委员会提出的4个项目收集必要的科学数据。开展这些项目的目的是,了解冰河和海洋之间的相互作用,揭示全球变暖对南极冰原的影响。
  松树岛冰川是南极冰原上移动速度最快的冰川之一,方圆2100平方公里。据统计,它每年将69立方公里的冰送人阿蒙森海。2000年,松树岛冰川上出现一条巨大的裂缝,到2001年11月,相当于纽约城大小(大约714平方公里)的冰山突然崩脱。由于此前对南极冰川活动情况的研究只能依据卫星传回的数据,鉴于此处极端的环境和地形变化,即使使用带缆机器人在冰川表面收集数据也是非常危险的。而经过特殊编程的Autosub在此却可以大显身手。在此次探测中,Autosub将穿过松树岛冰川和阿蒙森海海床之间长达几百公里的通道,对此处海域的温度、盐度、洋流及海底和冰川底部的形貌进行探测,并将从冰底抽取水样进行分析。研究人员认为,Autosub安全返航的可能性只有75%,这对于耗资超过100万美元研制成功的自动潜水器来说,无疑风险巨大。目前,研究人员已经制造出第二台Autosub,在紧急情况下备用,而且在未来的两年内,研究人员还将研制更多的Autosub。
  如果松树岛使命取得成功,明年Autosub将会在Ronne冰架 (面积与法国领土差不多,漂浮在威德尔海上)下进行一次更为艰巨的旅行。Autosub上装有尖端回转式罗盘,而且在遇到危险时,它还会发出紧急声讯求助。但是,如果冰架发生坍塌,Autosub则很难幸免。
  目前,其他研究小组还在使用水下滑翔机来研究墨西哥湾海藻肆虐引发的有毒红潮。这种滑翔机大约2米长,其运动与空降滑翔机原理相同。它们的“翅膀”使其在沉入水中时能够覆盖很长的距离,而且,方向舵能使它们按照航线行驶。一旦到达预定轨道的底部,滑翔机就会利用电池动力泵来改变自身的浮力,径直浮到水面。在水面上,它们利用全球定位系统来确定自身的方位,相应地调整方向舵,再次下潜。由于它们不依赖于耗电的发动机,所以它们一次就可以在考察区穿梭长达数日甚至几个星期。未来的水下滑翔机还将模仿群居昆虫的行为模式,具有协同工作的智能,它们可以沿水面运动,通过无线电向控制中心发送位置报告,根据其它滑翔机的位置和行为作出进一步行动的判断。
  未来的自动潜水器还将在石油勘探和军事中找到用武之地。日益上涨的石油价格和日渐耗尽的浅海石油资源都促使石油公司加紧进行更深水域的勘探工作,而在这一方面,自动潜水器有着独特的优势。与此同时,这一技术已经得到美国海军的资助,因为自动潜水器可以作为探雷器,在进行水上攻击之前勘查近海地区。
  此外,自动潜水器的热衷者们正致力于具体的技术改进,为自动潜水器配备完成特定科学使命所需要的成套传感器。这样的改进将会提高对科学研究的价值。
  研究人员设想,未来的自动潜水器可以全天候驻留在海洋中进行科学勘测,只有在充电和下载资料时才需要中断工作。新型水下滑翔机还可以利用海洋温度突变层的温差自行发电,这使它们能够在海底连续呆上几个月。而且,工程师们现在也已经为它们开发出了海底停泊港。
  如果技术的发展能够如人们所愿,自动潜水器就会成为通过电力和通信电缆与海岸相连的永久的海底观测台,这样的情形已经在新泽西海岸和蒙特雷海湾出现。未来的技术将会使海洋学家们通过互联网与自动潜水器交流。如此一来,呆在实验室里探索海洋世界就会成为可能。
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