春天到了，陽光明媚，北冰洋寒冷水域中的浮游生物即將發(fā)生一些變化。漫長(zhǎng)的白晝和不斷升高的氣溫喚醒了浮游植物。春季浮游生物的爆發(fā)性繁殖期已經(jīng)開始，這些微小浮游生物的數(shù)量正在海面下急劇增長(zhǎng)。

托雷·莫 - 比約克隆德從峽灣中的一艘船上向海里投放了一個(gè)機(jī)器人，接著又投放了一個(gè)。

托雷·莫 - 比約克隆德說：“春天是海洋中繁忙的季節(jié)，藻類大量繁殖是一個(gè)動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的過程。很難對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。”

這兩個(gè)機(jī)器人是輕型的自主式水下航行器（AUV），它們被編程設(shè)定為可在水中四處游動(dòng)，探測(cè)葉綠素發(fā)出的熒光。葉綠素是浮游植物進(jìn)行光合作用的綠色色素。

托雷·莫 - 比約克隆德說：“春天是海洋中繁忙的季節(jié)，藻類大量繁殖是一個(gè)動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的過程。很難對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。”

水樣采集

托雷·莫 - 比約克隆德在挪威科技大學(xué)（NTNU）攻讀博士學(xué)位期間，參與開發(fā)了用于繪制浮游生物爆發(fā)性繁殖期時(shí)空?qǐng)D的算法。與他一同出海的海洋生物學(xué)家桑娜·馬賈內(nèi)瓦（Sanna Majaneva）準(zhǔn)備在機(jī)器人定位到藻類最密集的區(qū)域后采集水樣。

當(dāng)莫 - 比約克隆德正在測(cè)試昂貴的新型先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)時(shí)，馬賈內(nèi)瓦配備的是尼斯金采水器：一個(gè)帶有簡(jiǎn)單機(jī)械觸發(fā)裝置、連接在金屬絲上的塑料管。

采水管到達(dá)合適深度的時(shí)候，一個(gè)重物沿金屬絲落下，觸發(fā)機(jī)關(guān)，采水管關(guān)閉。這種采水器和一百多年前弗里喬夫·南森為了在精確的所需深度采集水樣而研發(fā)的采水器非常相似（[點(diǎn)擊此處查看]）。

古老但可靠的方法

在海面下四處游動(dòng)的兩個(gè)自主式水下航行器可能看起來技術(shù)更先進(jìn)，但最終能提供所有答案的卻是桑娜·馬賈內(nèi)瓦的簡(jiǎn)易采水器。

托雷·莫 - 比約克隆德說：“那些（簡(jiǎn)易工具）真的很管用。技術(shù)發(fā)展存在的問題是，我們制造的東西通常不好用。相比之下，浮游生物網(wǎng)或者采水器幾乎每次都能正常工作。它們是現(xiàn)代技術(shù)難以企及的簡(jiǎn)單、廉價(jià)且可靠的解決方案。”

然而，生物學(xué)家需要新的解決方案，以便更好地了解灰藍(lán)色不透明水面下正在發(fā)生的情況。

水采樣器可以沿水中的垂直線采集樣本，并準(zhǔn)確反映該位置正在發(fā)生的狀況。但它幾乎無法深入了解藻華在該垂直線周圍空間中的情況。

這就是馬亞內(nèi)瓦需要莫 - 比約克隆德的水下機(jī)器人幫助的原因。該機(jī)器人能做她的水采樣器做不到的事情：它能找到水柱中浮游植物最密集的地方。

他們的研究結(jié)果發(fā)表于《公共科學(xué)圖書館·綜合》（PLOS ONE）雜志。

可檢測(cè)浮游生物的濃度與擴(kuò)散情況

她說：“你可能認(rèn)為浮游生物在水中均勻分布，但我們知道實(shí)際上其分布非常不均勻——存在小尺度的斑塊分布情況。使用傳統(tǒng)方法很難進(jìn)行研究，而且這些斑塊內(nèi)不同生物之間的相互作用可能比我們目前所了解的更多。”

馬亞內(nèi)瓦是挪威科技大學(xué)（NTNU）參與“南森遺產(chǎn)”項(xiàng)目的幾位海洋生物學(xué)家之一，這是一個(gè)關(guān)于正在經(jīng)歷快速變化的海洋氣候和生態(tài)系統(tǒng)的跨學(xué)科研究項(xiàng)目。

浮游植物每年春季的大量繁殖是海洋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但我們?nèi)匀挥泻芏嗖涣私獾牡胤健?/p>

馬亞內(nèi)瓦說：“我研究浮游動(dòng)物。我想了解它們彼此之間的差異、它們?nèi)绾喂泊妫约八鼈冊(cè)谶h(yuǎn)洋環(huán)境中如何相互影響。”

對(duì)浮游植物大量繁殖期間狀況的研究對(duì)于更好地了解影響食物鏈上高一級(jí)生物的過程非常重要。

馬亞內(nèi)瓦說：“我們希望更多地了解生物多樣性以及不同浮游生物種類的分布情況。也許這種小尺度的斑塊分布情況比我們之前認(rèn)為的發(fā)揮著更重要的作用。”

機(jī)器人被教會(huì)在行進(jìn)過程中做出決策

這兩個(gè)水下機(jī)器人現(xiàn)在將在一個(gè)1.5千米×1.5千米、深度達(dá)50米的區(qū)域內(nèi)四處移動(dòng)并測(cè)量熒光。這將使它們能夠確定這個(gè)三維水體中葉綠素濃度最高的位置。

他們還將計(jì)算出測(cè)量結(jié)果中最不確定的部分，這樣他們就可以重新測(cè)量，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時(shí)，他們需要避免相互碰撞。

“我的博士論文主題是自適應(yīng)測(cè)量。在測(cè)量過程中，測(cè)量結(jié)果會(huì)被用于確定下一步的測(cè)量位置。我不會(huì)稱其為人工智能，因?yàn)闆]有涉及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但我們會(huì)根據(jù)在實(shí)地收集的數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個(gè)模型。機(jī)器人根據(jù)過程中收集的數(shù)據(jù)做決策。這個(gè)模型是一個(gè)數(shù)理統(tǒng)計(jì)過程，是機(jī)器人用來做決策的空間上最優(yōu)的模型，”莫 - 比約克隆德（Mo - Bj?rkelund）說。

在實(shí)地工作之前，他通過運(yùn)行對(duì)研究人員預(yù)期實(shí)地情況的模擬來微調(diào)軟件。他現(xiàn)在將檢驗(yàn)這個(gè)系統(tǒng)是否有效。

實(shí)時(shí)光合作用的3D圖像

經(jīng)過首輪測(cè)繪后，這兩個(gè)機(jī)器人浮出水面通過衛(wèi)星交換數(shù)據(jù)。這使得一個(gè)機(jī)器人能夠根據(jù)另一個(gè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)做決策。這可能包括重新對(duì)不確定的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量以及避免與另一個(gè)機(jī)器人碰撞。

在研究船上，研究人員可以監(jiān)測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)在屏幕上以三維圖像顯示，即時(shí)構(gòu)建出水中光合作用的模型。

“在這種情況下，我們看到水面上葉綠素不多，但在更深處有大量的（藻類）繁殖，”莫 - 比約克隆德說。

在前往斯瓦爾巴群島探險(xiǎn)之前，莫 - 比約克隆德大部分工作都是在辦公室完成的，而這正是馬亞內(nèi)瓦（Majaneva）工作的開始。

輪到水樣采集器了

經(jīng)過第二輪測(cè)量后，機(jī)器人被從水中取出。研究人員航行到機(jī)器人測(cè)量到葉綠素濃度最高的位置，然后部署水樣采集器來尋找浮游生物。

水中有哪些物種？浮游植物和浮游動(dòng)物之間的能量是如何流動(dòng)的？

對(duì)莫 - 比約克隆德來說，這標(biāo)志著多年工作到達(dá)高潮。

“這只是一次試驗(yàn)。如果要將這類機(jī)器人用作標(biāo)準(zhǔn)方法，還需要進(jìn)行更多的工程設(shè)計(jì)。生物學(xué)家正在使用幾十年前開發(fā)的技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)代技術(shù)還不夠可靠。”

開展具有成本效益的研究

特隆赫姆，2024年：斯瓦爾巴群島探險(xiǎn)已經(jīng)過去兩年了。莫·比約克隆德早已完成了在挪威科技大學(xué)（NTNU）的學(xué)業(yè)，并與其他三名挪威科技大學(xué)的校友成立了自己的水下技術(shù)公司。

在特隆赫姆的挪威科技大學(xué)博物館實(shí)驗(yàn)室忙碌的工作間隙，挪威科技新聞的記者和桑娜·馬亞內(nèi)瓦匆匆喝了杯咖啡并進(jìn)行了會(huì)面。

她用遺傳學(xué)方法查明孔斯峽灣水樣里有哪些動(dòng)植物。然而，即便在水樣中發(fā)現(xiàn)了它們的DNA，要確定水中存在哪些生物也并非易事。

“我們利用環(huán)境DNA和基因條形碼來識(shí)別浮游植物、浮游動(dòng)物和魚類。環(huán)境DNA是繪制生物多樣性圖譜的有效方法，但仍有許多物種未被錄入DNA參考文庫。”馬亞內(nèi)瓦說道。

此外，即便研究人員在某個(gè)特定區(qū)域發(fā)現(xiàn)了某個(gè)特定物種的DNA，他們也無法確定該生物就恰好生活在發(fā)現(xiàn)DNA的地方。

“它也可能是從水柱更上方漂流下來的一個(gè)碎片。”馬亞內(nèi)瓦解釋道。

持續(xù)的壓力

她談到了要盡可能使環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物研究具有成本效益的持續(xù)壓力。

遺傳學(xué)方法讓她不用做數(shù)月的顯微鏡工作，但這些方法仍需改進(jìn)，還有很多問題沒解決。

莫·比約克隆德的水下機(jī)器人或許也能為生物學(xué)家在實(shí)地考察中節(jié)省寶貴的時(shí)間。

“這類機(jī)器人能讓我們?cè)诓煌疃忍綔y(cè)多個(gè)地點(diǎn)，研究不同水流的影響。它們能幫我們決定在哪采集樣本，或者把監(jiān)測(cè)站設(shè)在哪。我們是該在20米還是35米深處采集水樣呢？畢竟，我們不可能把整個(gè)水柱都弄到船上來。也許機(jī)器人能為我們采集水樣呢？那樣的話我們甚至都不用在場(chǎng)。科考探險(xiǎn)可費(fèi)錢了。”馬亞內(nèi)瓦說道。

前進(jìn)方向

“南森遺產(chǎn)”項(xiàng)目現(xiàn)已完成，但挪威科技大學(xué)，也就是NTNU，開發(fā)自主水下機(jī)器人的工作還在繼續(xù)。

“海洋一直在變，我們永遠(yuǎn)沒法一直測(cè)量所有東西。為了盡可能深入地了解海洋，我們得把精力集中在最有意思的區(qū)域。”海洋技術(shù)系的馬丁·路德維格森教授說。

“收獲”項(xiàng)目（Harvest）正在測(cè)試水下航行器如何利用聲吶技術(shù)和粒子攝像機(jī)來計(jì)算水柱中浮游動(dòng)物的濃度，而“吉祥物”項(xiàng)目（Mascot）專注于讓機(jī)器人能確定何時(shí)何地進(jìn)行測(cè)量的統(tǒng)計(jì)方法。

用自主水下航行器（AUV）做自適應(yīng)測(cè)繪，能讓我們更好地了解海洋里物理、生物和化學(xué)過程的動(dòng)態(tài)。”路德維格森說。

馬亞內(nèi)瓦覺得，“南森遺產(chǎn)”項(xiàng)目已經(jīng)證明了跨學(xué)科合作是很重要的。

“我們得互相借助知識(shí)才能看清全局。”她說道。