美國科學家研發「水下航行器新技術」揭祕海洋「暮光地帶」！

大資料文摘授權轉載自機器人大講堂

生活在海洋中層水域的浮游動物體每天都上演著地球上規模最大的遷徙，這種遷徙每天發生兩次。但是目前人們關於中層水域發生的事情知之甚少，於此科學家們利用水下航行器新技術揭祕海洋「暮光地帶」，對再中水層繁衍的動物進行了追蹤研究，並發表在SCIENCE ROBOTICS期刊上。

該論文題目為《一種用於海洋暮光地帶多學科調查的混合水下機器人（A hybrid underwater robot for multidisciplinary investigation of theocean twilight zone）》。

論文連結：

https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe1901

海洋中深層水為水深200米～700米之間的海水，是一個只有百分之一的環境光線能夠到達的區域。雖然該水域沒有足夠的光來支援光合作用，但它仍然是許多動物的家園，包括鑽光魚、水滴魚，動物發光水母和巨型魷魚等。近年來，科學家們發現這片廣闊的區域承載著豐富的生命，這些生命在全球碳迴圈中扮演著關鍵的角色。

海洋深處的暮光地帶

海洋中水層存在著大量晝伏夜出的遷徙動物

海洋中水層是一個具有巨大科學、商業、環境和軍事潛力的領域。為了避免捕食，許多中水層動物白天在數百米深的地方度過，夜間上升到近地表水域在黑暗的掩護下進行覓食，最後在黎明時分下降到更安全、更黑的水域。當這些動物在水面附近覓食，然後在它們撤退到更深的水中後排洩時，它們將有機碳從淺水帶到深水中，所以將碳元素從近地表水轉移到深海。這種「晝夜垂直遷移」這個過程阻止了在海洋表面被捕獲的碳重回大氣，在全球碳迴圈中發揮著關鍵作用。

溫室氣體排放造成地球氣溫升高

在探索中層水域的生態系統方面，使用傳統的裝置和工具有點力不從心，船載聲學感測器雖然能利用聲波定位物體，但無法精確探則在海洋深處遊動的動物體；拖網作業可能將在中層水域繁衍的凝膠狀動物解體；由於很多動物能夠發光（如光瞼鯛，龍頭魚，燈眼魚，光頭魚，甲藻，發光水母等），因此對它們的捕撈容易在捕獲的過程中把其他動物嚇跑。而且，拖網產生的壓力波對於這些動物來說也是一種「打擾」。

就目前而言，任何海洋航行器都會在一定程度上破壞生態環境。所以斯坦福大學和德克薩斯州里奧格蘭德河谷大學的科學家自2017年以來一直在研發水下航行器，在對生態環境影響最小的同時，此來觀測中水層的動物。

在2020年，由蒙特利灣水族館研究所（MBARI），伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）和其他合作伙伴開發出了一款半自動深海航行器。這款深海航行器取名為Mesobot，旨在研究海洋中層水域「暮光地帶」，目前已在加利福尼亞州蒙特利灣完成海上試驗。

深海航行器Mesobot高 1.5 m，重約 250kg，上面安裝了照相機、聲學感測器和取樣器。就航行器的本質而言，Mesobot是一個繫繩航行器，在達到其工作水域前使用光纖電纜從地面控制和供電。

深海航行器Mesobot的結構及其搭配裝置

首先，Mesobot頂端被塗成亮黃色，以便科學家容易定位。Mesobot還帶有一個全球定位系統 (GPS)，還配備了無線網路連線，當Mesobot在距離海面控制船 1 公里的範圍內，它會自動連線到船上網路，則可以讀取得到Mesobot的定位。在觀測裝置的配備上，Mesobot 的搭載了Sony UMC-SC3A相機，提供高質量的4K高解析度視訊和影象，配備全畫幅 35 毫米感測器。這款相機在 12 V的直流電壓下消耗約 6 W，並且搭配了一枚微距鏡頭。

許多海洋中水層的動物（包括魚類和無脊椎動物），對水的擾動具有高度敏感性。傳統的水下航行器運動時會產生激流波，這些動物感受到激流波後，即使在黑暗中也能做出逃逸的行為，影響了其繁衍作息。而Mesobot採用了大型慢轉螺旋槳，可以產生較少的噪音，在動力上最大程度減小了對生態環境上的影響。同時，Mesobot所有的推進器，安裝在可調節的支架上，以便它們自然地產生解耦運動。為了使Mesobot可以追蹤和研究「暮光地帶」內的浮游和漂流動物。

在續航方向上，Mesobot 攜帶一個額定容量約為 4.5 kWh 的鋰離子電池組，在潛水主動追蹤階段Mesobot的平均功耗為 93 W，因此重達 250 公斤的Mesobot工作時間可以超過24小時，為研究海洋的中水層的研究人員提供了很多有價值的資訊。

科學家們在研究船Rachel Carson所停靠的蒙特利灣進行為期三天的海上試驗，美國蒙特雷灣 200 米深處自動追蹤自由遊動的水母和巨大型幼海鞘。這些測試包括五次深度達數百米的下潛，同時有助於測試航行器的潛航能力。通過試驗發現，科學家們研製的Mesobot 能夠在美國蒙特雷灣 200 米深處自動追蹤自由遊動的水母和巨大型幼海鞘，能夠調查和追蹤緩慢移動的深海動物，並將動物的運動與關鍵的環境測量相關聯。

科學家們利用Mesobot對深海中水層進行開發和進行動物追蹤

在達到 200 m 的作業深度後，科學家們操控Mesobot開始搜尋目標，Mesobot所配備的科學相機也記錄並展示了海雪顆粒，巨大型幼海鞘和水母（圖4）。

科學家們發現，在下降的過程中，水母以 3.5 cm/s 的平均下降速度進行運動。在用Mesobot對水母的追蹤過程中，科學家們發現水母的覓食行為，它們會使用有毒的觸手進行捕捉獵物。在視訊中的某個時刻，水母的觸手接觸了一隻雙小水母（一種已知的水母的獵物），但最終雙小水母逃逸了。而科學家們通過Mesobot觀測到了巨大型幼海鞘，以及它們正在通過內壁排水以進行濾食。

Mesobot對動物的實施追蹤影象；左上：Mesobot追蹤水母時的場景，藍點表示選定的目標；左下：Mesobot在追蹤餐盤水母正在捕食雙小水母；右上：巨大型幼海鞘的外粘膜；右下：巨大型幼海鞘和它的「內壁」

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Mesobot對正在起舞的水母進行追蹤

與此同時，科學家們還利用Meshobot追蹤了一個巨大型幼海鞘，這種動物的部分時間的運動方式都是跟隨海洋進行被動漂流，外形呈透明的蝌蚪狀。在觀測到遇到巨大型幼海鞘後，科學家控制Mesobot小心翼翼地接近，並進行了幾分鐘的自動追蹤。雖然幼海鞘其本身體形很小（約9cm長），但它們卻被直徑達幾十釐米的蛋白質和纖維素團包圍著。

這種生物產生這些蛋白質和纖維素團是為了誘捕海洋中的微生物，它們將其過濾進來。當蛋白質和纖維素團的過濾器阻塞之後，這種生物就會將其拋棄再產生一個新的，有時只需要數小時。其近親海鞘一般不足3釐米，但這種幼海鞘能將營養物質以及將排洩物中的碳運輸到深海（尤其是它們可以隨時放棄蛋白質和纖維素團），因此在海洋裡扮演著非常重要的角色。科學家們發現，被動漂流的巨大型幼海鞘在約 20 分鐘的時間內上升和下降的範圍在6 m。

這項追蹤研究還證實了在研究海洋的過程中直接觀察的重要性。同時，驗證了Mesobot能夠在動物進行日常遷移和其他日常運動時對其進行研究，且能夠進行實時追蹤。

Mesobot 對一隻巨大型幼海鞘（像一隻小蝌蚪）進行追蹤

Mesobot在30 分鐘內對巨大型幼海鞘時的追蹤結果

位於美國馬薩諸塞州的伍茲霍爾海洋研究所，其前身是1888年在伍茲霍爾建立的海洋動物研究所，是美國大西洋海岸的綜合性海洋科學研究機構，也是世界上最大的私立的、非盈利性質的海洋工程教育研究機構。該研究所研究課題廣泛，涉及海洋基礎學科和海洋工程各個方面。在海洋動物研究，北大西洋洋流、墨西哥灣流與西部邊界流以及大渦旋的研究，深海大環流模擬等方面取得了重大成果。