『新型傳感機(jī)器人帶你去感知深?！?/h1>
2012-11-08 06:11:06撰文陳雪飛
海洋世界 2012年1期
撰文/陳雪飛
『新型傳感機(jī)器人帶你去感知深海』
撰文/陳雪飛
海洋是地球最大的生態(tài)系統(tǒng)，人類在探索海洋的過程中一直面臨著巨大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，一種傳感機(jī)器人將推動(dòng)人類對(duì)海洋的探索跨進(jìn)新的篇章。
『麥德倫教授及其伙伴所設(shè)計(jì)的新型傳感機(jī)器人，可以分散成數(shù)百個(gè)部分，形成傳導(dǎo)并且共同傳達(dá)信息以探索深海?！?/h2>
這種傳感機(jī)器人是一種裝配有生物傳感器的球狀設(shè)備，裝備有麥德倫和同事開發(fā)的微尺度組件。該組件實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量活細(xì)胞的多種參數(shù)，進(jìn)而將細(xì)胞活動(dòng)與基因組信息聯(lián)系起來，從而顯著地?cái)U(kuò)展了海洋研究的視野。
正如麥德倫解釋的那樣：“我們正利用自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器、生物工程和系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)來開發(fā)專用的機(jī)器人，該機(jī)器人可以分散成數(shù)百個(gè)部分，形成傳導(dǎo)并且共同傳達(dá)信息以探索深海。這種傳感機(jī)器人可以連續(xù)監(jiān)測(cè)海洋中的關(guān)鍵元素，并能對(duì)水下地震和海底熱泉一類的深?；顒?dòng)做出反應(yīng)。這類研究對(duì)于更為透徹地認(rèn)識(shí)微生物以及其他海洋生物、地質(zhì)和化學(xué)元素等海洋中的多種系統(tǒng)是至關(guān)重要的?！?/p>
助理研究教授科迪和約瑟芬多年致力于發(fā)展傳感機(jī)器人技術(shù),他們都是研究小組不可或缺的成員。2011年夏天，科迪教授開始將傳感機(jī)器人帶向深海。科迪教授所乘坐的是由華盛頓大學(xué)操航的世界級(jí)研究船——托馬斯·湯普森研究船。該研究船是美國(guó)國(guó)立大學(xué)海洋實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的一部分，同時(shí)是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)海洋觀測(cè)站計(jì)劃的一部分。
『最新的傳感機(jī)器人是拳頭大小的球型透明機(jī)器人，這些傳感機(jī)器人通過亮藍(lán)色的發(fā)出光相互通信?！?/h2>
雄心勃勃的傳感機(jī)器人工程包括在太平洋東北建設(shè)一條水下觀測(cè)電纜：從俄勒岡州海岸開始，至華盛頓和不列顛哥倫比亞省。觀測(cè)電纜提供高帶寬和高功率以傳遞實(shí)時(shí)的海洋觀測(cè)以及實(shí)驗(yàn)。包括礦物質(zhì)濃度的研究，氣體成分、生物生長(zhǎng)繁殖以及極端微生物的詳細(xì)研究。傳感機(jī)器人通過觀測(cè)電纜得以自行充電以及下載資料，可利用的信息則通過觀測(cè)電纜迅速經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳遞給世界各地的科學(xué)家和教育工作者。
球狀的機(jī)器人內(nèi)部裝有電子設(shè)備和電池，表面則配有3個(gè)感知器分別用來測(cè)量pH值、溫度和含氧量。工作時(shí)傳感機(jī)器人將周圍的環(huán)境狀況匯報(bào)給內(nèi)部的電子設(shè)備，它們將信息轉(zhuǎn)化成發(fā)光，進(jìn)而提供一種視覺上的摩爾斯碼。
位于海底的高速照相機(jī)將收集并保存這些光信號(hào)以供之后在船上破譯。隨著傳感機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，這些機(jī)器人球體將覆蓋更大面積的海域，向核心數(shù)據(jù)中心傳遞更為規(guī)范的信息。最終，這些傳感機(jī)器人將形成能半自動(dòng)化運(yùn)行的機(jī)器人群。遠(yuǎn)程控制通過精確控制它們穿過海水的量，使這些機(jī)器人群在三維幾何空間內(nèi)精準(zhǔn)地活動(dòng)。
獨(dú)立運(yùn)行的傳感機(jī)器人群在復(fù)雜、惡劣以及偏遠(yuǎn)的環(huán)境也能發(fā)揮作用。利用安裝在傳感機(jī)器人平臺(tái)上的微量分析系統(tǒng)，這些人造水手能夠以時(shí)間和空間為索引從微觀層面上分析微生物群的基因組信息，同時(shí)也能從宏觀上觀察各種各樣的生物活動(dòng)。
這種被稱為p3N的最新版本傳感機(jī)器人在各自獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)具有聯(lián)網(wǎng)能力，族群中的各個(gè)成員可以借此相互交流。傳感機(jī)器人所應(yīng)用的不是那些用于手機(jī)或其他陸基型所用的無限網(wǎng)絡(luò)，而是通過它發(fā)出的光信號(hào)來相互連接的多跳網(wǎng)絡(luò)。
科迪教授說：“海洋里有規(guī)模非常龐大浩瀚的景觀，傳感網(wǎng)絡(luò)因而非常刺激?！痹诳臻g的一個(gè)點(diǎn)上投遞一個(gè)非常昂貴的機(jī)器人，然后連續(xù)地使其到處移動(dòng)經(jīng)常會(huì)漏掉動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象。與之相反，一大批不昂貴的傳感機(jī)器人可以覆蓋更為廣闊的領(lǐng)域，實(shí)時(shí)觀測(cè)地震、生物生長(zhǎng)以及其他階段性景象。
『“就像追尋散落一地的珍珠一樣，我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離地追蹤傳感機(jī)器人。如此，我們獲得能源效率和光通信速度的全部好處而無需承擔(dān)光損失和海水衰減?！薄?/h2>
在最近的一次乘船漫游研究中，科迪教授借助一個(gè)名為“海洋科學(xué)遙控平臺(tái)”的加拿大遠(yuǎn)程操作工具，幫助傳感機(jī)器人在海底定位。這次，傳感機(jī)器人被部署在一個(gè)深度超過1500米的深海熱泉內(nèi)部和周圍，該熱泉位于一個(gè)海底火山噴口覆蓋區(qū)域之內(nèi)。科迪教授在幾百平方米的海域內(nèi)部署了20個(gè)傳感機(jī)器人，同時(shí)利用高速水下相機(jī)連續(xù)記錄下三天內(nèi)傳感機(jī)器人監(jiān)測(cè)的結(jié)果。
正在構(gòu)建中的新型p3N傳感機(jī)器人將具有慣性監(jiān)控裝置，這一裝置可以幫助它們感知其移動(dòng)過的時(shí)間和地點(diǎn)。最終，為各個(gè)設(shè)備所獨(dú)有的機(jī)載推進(jìn)系統(tǒng)將獨(dú)立地遠(yuǎn)程控制這些裝置。而挑戰(zhàn)創(chuàng)造這樣的系統(tǒng)具有重大意義。應(yīng)用慣性監(jiān)控裝置技術(shù)，可以設(shè)計(jì)傳感機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整其浮力以利用海流中的自然運(yùn)動(dòng)。
研究小組將在蒙特雷灣水族館研究所的海底電纜環(huán)境下延續(xù)他們的傳感機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。小組的研究重點(diǎn)將集中在研究海底微生物上。“多跳節(jié)點(diǎn)”這一概念將發(fā)揮作用使研究可以在低成本、格式緊湊的模式下同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)分析對(duì)象。此外，該研究還有其他潛在的應(yīng)用價(jià)值，包括國(guó)家安全、傳染病學(xué)、污染物監(jiān)測(cè)。
在實(shí)驗(yàn)室中，一個(gè)傳感機(jī)器人發(fā)射出它的代碼，球型海底機(jī)器人正是借助于這些亮藍(lán)色的光脈沖傳遞有關(guān)其周圍環(huán)境的信息。高速照相機(jī)獲取光代碼信息，并將這些記錄和傳送的信息保存用于后續(xù)分析。
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科迪教授說：“海洋里有規(guī)模非常龐大浩瀚的景觀，傳感網(wǎng)絡(luò)因而非常刺激?！痹诳臻g的一個(gè)點(diǎn)上投遞一個(gè)非常昂貴的機(jī)器人，然后連續(xù)地使其到處移動(dòng)經(jīng)常會(huì)漏掉動(dòng)態(tài)的現(xiàn)象。與之相反，一大批不昂貴的傳感機(jī)器人可以覆蓋更為廣闊的領(lǐng)域，實(shí)時(shí)觀測(cè)地震、生物生長(zhǎng)以及其他階段性景象。
『“就像追尋散落一地的珍珠一樣，我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離地追蹤傳感機(jī)器人。如此，我們獲得能源效率和光通信速度的全部好處而無需承擔(dān)光損失和海水衰減?！薄?/h2>
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在實(shí)驗(yàn)室中，一個(gè)傳感機(jī)器人發(fā)射出它的代碼，球型海底機(jī)器人正是借助于這些亮藍(lán)色的光脈沖傳遞有關(guān)其周圍環(huán)境的信息。高速照相機(jī)獲取光代碼信息，并將這些記錄和傳送的信息保存用于后續(xù)分析。
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