浩瀚的深海以及在极端环境下工作所面临的技术挑战，使得人们很难进入深海进行研究。科学家们对月球表面的了解要多于对深海海床的了解。MBARI正在利用机器人技术的进步来解决这一差距。

一辆名为“底栖漫游车II”(Benthic rover II)的自主机器人漫游者为了解深海海底(海洋表面以下4000米(13100英尺))的生活提供了新的视角。今天发表在《科学机器人》(Science Robotics)杂志上的一项研究详细介绍了这台漫游者的发展和经过验证的长期运行。这个创新的移动实验室进一步揭示了深海在碳循环中的作用。漫游者收集的数据是了解气候变化对海洋影响的基础。

“这台深海探测车的成功使得长期监测水柱和海底之间的耦合成为可能。了解这些相互关联的过程对于预测我们这个被气候变化吞没的星球的健康和生产力至关重要，”MBARI高级科学家Ken Smith说。

尽管它距离阳光照射的浅滩很远，但深层海底与上面的水域相连，对碳循环和碳封存至关重要。一些有机物质——包括死去的动植物、黏液和排出的废物——慢慢地通过水柱沉入海底。淤泥上的动物和微生物群落消化了其中一些碳，而其余的可能会被锁定在深海沉积物中长达数千年。

深海在地球的碳循环和气候中扮演着重要的角色，但我们仍然对数千米以下发生的过程知之甚少。巨大的压力和海水的腐蚀性等工程障碍使得将设备送往深海海底研究和监测碳的涨落变得困难。

过去，史密斯和其他科学家依靠固定仪器来研究深海生物的碳消耗。他们一次只能使用这些仪器几天。通过25年的工程创新，MBARI开发了一种监测深海海底的长期解决方案。

“深海中的激动人心的事件通常会短暂地、以不可预测的间隔发生，这就是为什么使用底栖探测器II进行连续监测是如此重要，”电气工程集团负责人Alana Sherman解释说。“如果你不是一直在看，你可能会错过主要的动作。”

底栖漫游车II是由史密斯和谢尔曼领导的MBARI工程师和科学家组成的合作团队努力工作的结果。

MBARI的工程师们设计了“底栖漫游者2号”，以应对深海的寒冷、腐蚀和高压条件。这个探测器由耐腐蚀的钛、塑料和耐压的复合泡沫材料组成，可以承受6000米(约19700英尺)深的部署。

MBARI电气工程师Paul McGill解释说:“除了在这些极端条件下操作的物理挑战，我们还必须设计一个足够可靠的计算机控制系统和软件，使其在运行一年内不会崩溃——没有人会按下重置按钮。”“这些电子产品也需要消耗非常少的电力，这样我们才能携带足够使用一年的电池。尽管它做了这么多，但月球车平均只消耗2瓦——大约和一部iPhone一样。”

底栖漫游者II大约有一辆小汽车那么大——长2.6米(8.5英尺)，宽1.7米(5.6英尺)，高1.5米(4.9英尺)——用一对宽橡胶履带轻轻地踏在泥泞的底部。

研究人员从MBARI的R/V西部飞行者号船上部署了底栖漫游者II号。船上的工作人员小心翼翼地将漫游者放进水里，释放它，让它自由下落到海底。漫游者要花大约两个小时才能到达底部。一旦在海底着陆，探测器就可以开始它的任务。

首先，传感器检查海底流动的电流。当探测器探测到有利的电流时，探测器就向上或穿过电流到达一个未受干扰的地点，开始收集数据。

漫游者前面的照相机拍摄海底并测量荧光。在蓝光下，叶绿素发出的独特光芒揭示了有多少“新鲜”的浮游植物和其他植物碎片落在海底。传感器记录下底部上方海水的温度和氧气浓度。

接下来，漫游者放下一对透明的呼吸计室，测量泥中生物群落48小时的耗氧量。当动物和微生物消化有机物时，它们会以特定的比例使用氧气并释放二氧化碳。了解这些动物和微生物使用多少氧气对于理解碳再矿化是至关重要的，碳再矿化是将有机物分解成包括二氧化碳在内的更简单的成分。

48小时后，探测车抬起呼吸计室，向前移动10米(32英尺)，小心翼翼地不穿过之前的路径，然后选择另一个地点进行取样。它在部署期间(通常是一整年)反复重复这种抽样模式。

在每次部署结束时，R/V西部飞行者号会返回来回收探测车，下载数据，更换电池，并将探测车送回深海继续一年。在长达一年的部署期间，MBARI团队从岸上发射另一个自主机器人——波浪滑翔机，每季度返回一次，检查底栖漫游车II的进展情况。麦吉尔解释说:“探测车无法与我们直接沟通，告诉我们它的位置或状况，所以我们派了一个机器人去寻找我们的机器人。”波浪滑翔机上的一个声波发射器将探测车发送到海底。然后，探测车将状态更新和样本数据发送给头顶的滑翔机。然后，滑翔机将这些信息通过卫星传送给岸上的研究人员。

MBARI高级研究专家克里西·哈沃德说:“来自底栖探测器II的数据帮助我们量化了深海海底何时、多少以及哪些来源可能被隔离或存储。”

在过去的7年里，“底栖漫游车2号”一直在M站持续运行，M站是MBARI的一个研究基地，位于加州中部海岸225公里(140英里)处。M站位于海洋表面以下4000米(13100英尺)——相当于海洋的平均深度——这使它成为研究深海生态系统的一个很好的模型系统。

在过去的32年里，史密斯和他的团队在m号空间站建造了一个独特的水下观测站，“底栖漫游者2号”和一套其他的仪器，每天24小时，每周7天，一整年都不用维修。

Sherman说:“探测车在7年的时间里表现可靠，99%的寿命都是在海底度过的，这是多年测试、故障排除和开发最佳维护技术的结果。”“这是一个很好的例子，说明在应用技术挑战科学问题时可以实现什么。”

在M站收集的数据表明，深海远非静止的。物理、化学和生物条件可以在从几个小时到几十年的时间尺度上发生巨大变化。

春季和夏季，M站上方的加州海流表层水域浮游植物丰富。这些季节性的生产力脉动从水柱级联到海底。这些下沉的有机物——被称为“海洋雪”——大部分来源于大气中的二氧化碳。

在过去的十年中，MBARI的研究人员观察到m站大量海洋降雪急剧增加，这些偶然事件在该站点每年的食物供应中占越来越大的比例。在M站7年的运行中，底栖漫游车II记录了显著的每周、季节性、年度和偶发事件——所有这些数据都帮助MBARI的研究人员了解深海碳循环。

2015年11月至2020年11月，底栖漫游车II记录到，从头顶水域降落到深海海底的死亡浮游植物和其他富含植物的碎片(植物碎屑)的降雨大幅增加。在深海海床上方的海水中溶解氧浓度的下降伴随着有机物的大量增加。

传统的短期监测工具无法检测到驱动长期变化和趋势的波动。“底栖漫游车II”揭示了碳是如何从地表移动到海底的更完整的图景。

“海底探测车II提醒了我们，全球模型忽略了深海的短期和长期变化，”哈沃德强调说。

底栖漫游者II号的成功和MBARI在M站正在进行的工作突出表明，持久的平台和长期的观察可以进一步我们对地球上最大的生活空间的理解。随着越来越多的公司寻求从深海海底开采矿产资源，这些数据也为考虑进行工业开发或深海采矿的地区提供了宝贵的基线条件。

海洋也是地球碳循环和气候的重要组成部分。海洋和它的生物群落是二氧化碳的蓄水池。燃烧化石燃料、饲养牲畜和砍伐森林每年向我们的大气中释放数十亿吨二氧化碳。海洋吸收了超过25%的二氧化碳，使我们免受了最严重的影响。面对变化的气候，了解碳是如何在阳光照射的海洋表面和黑暗的海洋深处流动比以往任何时候都更加重要。

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