Американские инженеры создали подводного робота Mesobot для изучения организмов, обитающих на глубинах от 200 до 1000 метров. В этой области располагается так называемая сумеречная зона, в которую проникает очень мало солнечного света с поверхности. Согласно современным представлениям, обитающие в этой области морские организмы могут оказывать существенное влияние на глобальный углеродный цикл и климат планеты. Mesobot способен выполнять длительные исследовательские миссии свыше 24 часов по наблюдению за морскими организмами как в полностью автономном режиме, так и с управлением по оптоволоконному кабелю с поверхности. В состав оборудования аппарата помимо камер высокого разрешения входят различные океанографические сенсоры для измерения параметров окружающей среды. Кроме того, он способен нести дополнительное сменное оборудование в специальных грузовых отсеках. Системы управления и научные приборы глубоководного аппарата устроены таким образом, чтобы не пугать и не привлекать внимания морских обитателей за которыми ведется наблюдение. Разработчики надеются, что Mesobot поможет им отслеживать суточные вертикальные миграции морских организмов и уже провели ряд успешных тестов робота в открытом океане, в ходе которых наблюдались несколько представителей зоопланктона в сумеречной зоне, говорится в статье опубликованной в журнале Science Robotics.
Область морей и океанов простирающаяся в глубину от 200 до 1000 метров, и в которую попадает очень мало солнечного света, называют мезопелагической или сумеречной зоной. Возле верхней границы этой области уже невозможна первичная продукция за счет фотосинтеза, а на глубины ниже этой зоны свет с поверхности не проникает вовсе. Несмотря на низкий уровень освещенности, в сумеречной зоне обитает множество морских организмов, жизнедеятельность которых оказывает большое влияние на глобальный углеродный цикл, а значит и на регуляцию климата на планете.
Одним из ключевых механизмов в транспорте углерода, как считают ученые, может быть суточная вертикальная миграция мезопелагических животных из сумеречной зоны к поверхности и обратно. День они проводят на глубине, скрываясь от хищников, а ночью под покровом темноты поднимаются к поверхности за едой. Такое поведение приводит к переносу части поглощаемого ими с кормом углерода на большую глубину вместе с продуктами жизнедеятельности.
По оценкам ученых, биомасса рыбы, обитающей в мезопелагической зоне, может в сто раз превосходить суммарную биомассу всей рыбы, ежегодно вылавливаемой в мире, что делает сумеречную зону привлекательной для изучения не только с точки зрения чистой науки.
Существующие на сегодняшний день роботы для исследования морей и океанов способны спускаться на большие глубины, но обычно требуют для работы постоянной связи с находящимся на поверхности судном. Однако для детального изучения сумеречной зоны исследовательский аппарат должен обладать характеристиками, продиктованными особенностями поведения обитающих здесь организмов. Многие существа из мезопелагии совершают суточные вертикальные миграции к поверхности, поэтому робот должен обладать большой степенью автономности, так как исследовательские миссии по наблюдению за мезопелагическими животными могут длиться более 24 часов.
Помимо этого, перемещения робота должны оставаться незаметными для животных из сумеречной зоны, так как они очень чувствительны к гидродинамическим возмущениям и ярким источникам света, которые могут потревожить их, заставив убегать, или наоборот, привлекая к исследовательскому аппарату.
Учитывая эти особенности, американские инженеры и океанологи под руководством Даны Йоргера (Dana R. Yoerger) из Океанографического института Вудс-Хол разработали робота для изучения мезопелагической зоны, который получил название Mesobot. Подводный аппарат высотой полтора метра и весом около 250 килограммов способен погружаться на глубину до одного километра и может действовать полностью автономно или управляться через оптоволоконный кабель.
Робот оснащен несколькими электромоторами с низким энергопотреблением, которые обеспечивают управляемость во всех направлениях. При этом предполагается, что основные режимы работы робота — это зависание на определенной глубине и перемещение в вертикальной плоскости для наблюдения за мезопелагическими организмами во время их суточных миграций к поверхности и обратно.
Для снижения шума и гидродинамических возмущений, которые могут потревожить живые организмы, за которыми ведется наблюдение, винты на двигателях, отвечающих за перемещение в вертикальном и продольном направлениях, имеют большой диаметр (46 сантиметров). Это позволяет снизить частоту их вращения и уменьшить скорость создаваемых ими водяных струй. При этом на двигателях, отвечающих за боковое смещение, пришлось установить винты с меньшим диаметром, чтобы сделать аппарат более компактным. Создаваемые ими струи воды, по словам инженеров, направлены в стороны от робота и не вызывают сильного возмущения в области перед носовой частью робота, где располагаются камеры, направленные на объекты наблюдения.
Робот оснащен двумя камерами, стереоизображение с которых используется для обнаружения и сопровождения объектов наблюдения, и цветной камерой для сбора научных данных. Она может записывать 4K видео и делать снимки с разрешением до 12 мегапикселей. Для подсветки области наблюдения используются массивы светодиодов, дающих красный или белый свет с регулируемой яркостью. Поиск и обнаружение морских организмов в кадре осуществляется с помощью алгоритмов распознавания объектов, которые выполняются на базе NVIDIA Jetson TX2. Алгоритм способен сохранять фокус на объекте, даже когда в кадр попадают другие организмы.
После выбора подходящей цели Mesobot может сопровождать ее, стремясь удерживать объект в центре поля зрения и сохраняя заданную до него дистанцию. Таким образом ученые смогут отслеживать перемещение конкретных организмов на протяжении длительного времени на глубинах до одного километра. По словам разработчиков, установленные на борту литий-ионные аккумуляторы общей емкостью 4,5 киловатт-час позволяют подводному роботу работать более 24 часов в режиме сопровождения.
Кроме этого, Mesobot несет с собой множество океанографических сенсоров, которые измеряют параметры окружающей среды: температуру, электропроводность, глубину, уровень растворенного в воде кислорода, а также имеет отсек для установки дополнительного научного оборудования, например, пробоотборников или сонаров.
Разработчики провели ряд успешных тестов в небольшом бассейне и в океане в заливе Монтерей возле побережья Калифорнии, во время которых робот смог наблюдать и сопровождать несколько представителей зоопланктона. Так, наиболее длительным оказался тест с наблюдением за гигантской глубоководной аппендикулярией, — представителем оболочников, которые обитают в сумеречной зоне океанов. Mesobot в течение 40 минут сопровождал организм, удерживая его в поле зрения камер и следуя за его перемещениями в вертикальной плоскости, вызванными волнами. Создатели робота надеются, что он поможет узнать больше об обитателях сумеречной зоны, ее связи с изменением климата и влиянии на нее антропогенных факторов.
Ранее мы рассказывали о прототипе другого подводного робота, который для передвижения использует окружающую воду. Он выталкивает ее из корпуса также, как это делают кальмары.
Андрей Фокин