Подводные роботы, разработанные исследователями из Океанографического института Скриппса Калифорнийского университета в Сан-Диего, предлагают ученым необычный новый инструмент для изучения океанских течений и крошечных существ, которых они перевозят. Стаи этих подводных роботов помогли ответить на некоторые основные вопросы о самых распространенных формах жизни в океане - планктоне.
Океанограф-исследователь Скриппса Жюль Яффе спроектировал и построил миниатюрные автономные подводные исследователи, или M-AUE, для изучения мелкомасштабных экологических процессов, происходящих в океане. Инструменты для зондирования океана оснащены датчиками температуры и другими датчиками для измерения условий окружающего океана, в то время как роботы «плавают» вверх и вниз, чтобы поддерживать постоянную глубину, регулируя свою плавучесть. M-AUE потенциально могут быть развернуты группами от сотен до тысяч, чтобы получить трехмерное представление о взаимодействии между океанскими течениями и морской жизнью.
В новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала Nature Communications от 24 января, биолог-океанограф Джефф и Скриппс Питер Фрэнкс развернул рой из 16 подводных роботов размером с грейпфрут, запрограммированных так, чтобы имитировать поведение планктона под водой. микроскопические организмы, дрейфующие океанскими течениями. Исследование было разработано для проверки теорий о том, как планктон образует плотные пятна под поверхностью океана, которые часто позже проявляются на поверхности в виде красных приливов..
«Эти пятна могут работать как планктонные одиночные бары», - сказал Фрэнкс, который давно подозревал, что плотные скопления могут способствовать питанию, размножению и защите от хищников.
Два десятилетия назад Фрэнкс опубликовал математическую теорию, предсказывающую, что плавающий планктон будет образовывать плотные пятна, когда его толкают внутренние волны - гигантские, медленно движущиеся волны под поверхностью океана. Для проверки его теории потребуется отследить перемещения отдельных планктона, каждый из которых меньше рисового зерна, когда они плавают в океане, что невозможно с использованием доступных технологий..
Джаффе вместо этого изобрел «роботизированный планктон», который дрейфует вместе с океанскими течениями, но запрограммирован двигаться вверх и вниз, регулируя свою плавучесть, имитируя движения планктона. Рой этих роботов-планктона был идеальным инструментом для окончательной проверки математической теории Фрэнкса.
«Большой инженерный прорыв заключался в том, чтобы сделать M-AUE маленькими, недорогими и способными непрерывно отслеживаться под водой», - сказал Джаффе. Низкая стоимость позволила Джаффе и его команде создать небольшую армию роботов, которых можно было использовать роем.
Отслеживание отдельных M-AUE было сложной задачей, так как GPS не работает под водой. Ключевым компонентом проекта была разработка исследователями из Института Qualcomm Калифорнийского университета в Сан-Диего и Департамента компьютерных наук и инженерии математических методов использования акустических сигналов для отслеживания транспортных средств M-AUE, когда они находились под водой.
Во время пятичасового эксперимента исследователи Скриппса вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего развернули рой диаметром 300 метров (984 фута) из 16 M-AUE, запрограммированных оставаться на глубине 10 метров (33 фута). в океане у побережья Торри-Пайнс, недалеко от Ла-Хойи, Калифорния. M-AUE постоянно регулировали свою плавучесть, чтобы двигаться вертикально против течений, создаваемых внутренними волнами. Трехмерная информация о местоположении, собираемая каждые 12 секунд, показала, где этот роботизированный рой перемещался под поверхностью океана.
Результаты исследования были почти идентичны тому, что предсказывал Фрэнкс. Температура окружающего океана колебалась, когда внутренние волны проходили через рой M-AUE. И, как и предсказывал Фрэнкс, данные о местоположении M-AUE показали, что рой сформировал плотное пятно в теплых водах впадин внутренних волн, но рассредоточился по гребням волн..
«Это первый раз, когда такой механизм был испытан под водой», - сказал Фрэнкс. Эксперимент помог исследователям подтвердить, что свободно плавающий планктон может использовать физическую динамику океана - в данном случае внутренние волны - для увеличения своей концентрации, чтобы собираться в рои для удовлетворения своих основных жизненных потребностей.
«Этот метод обнаружения роев открывает совершенно новую область исследования океана», - сказал Джаффе. Дополнение M-AUE камерами позволило бы фотографировать места обитания кораллов, или «селфи планктона», по словам Джаффе.
Исследовательская группа надеется построить еще сотни миниатюрных роботов для изучения перемещения личинок между морскими охраняемыми районами, наблюдения за вредными цветениями, вызванными красными приливами, и для отслеживания разливов нефти. Бортовые гидрофоны, которые помогают отслеживать M-AUE под водой, также могут позволить рою действовать как гигантское «ухо» в океане, слушая и локализуя окружающие звуки в океане.