全新开发机器人,日本科考队成功拍摄南极湖底

海洋 · 宇宙 2018年05月30日
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日本东京海洋大学的后藤慎平与日本国立极地研究所的田边优贵子等人组成的研发小组,在日本第59次南极科考队进行公开研究时调查了南极大陆的湖泊沼泽,并在全球首次利用小型水下机器人(ROV),成功对湖底进行了连续拍摄。

研发小组为此次拍摄全新开发了能在南极的特殊环境下稳定工作的小型水下机器人(照片1),并利用该机器人对位于南极斯卡夫斯内斯(Skarvsnes)的长池(图1)内的苔藻堆(照片2)的分布情况进行了调查。此前一直没有方法获得这方面的定量信息。

调查方法

在以往的调查中,通过潜水员的目视观察,人们已经知道南极湖底生长的苔藻堆形成了特殊的三维结构,而且不同深度的苔藻堆的尺寸和形状各不相同,但是不同深度的苔藻堆的尺寸、形状及密度等定量信息不足。研发小组新开发了水下机器人,就是要把不同深度的苔藻堆的定量分布情况可视化,也就是进行生态环境测绘(Habitat Mapping)。

在南极的野外调查中,对于无法利用直升机等运输手段到达的场所,去的人数要尽量少,但又需要运输观测设备,为此,新开发的水下机器人进行了小型轻量化改进。一般来说,水下机器人由机身、操控装置和连接二者的电缆三部分组成。此次新开发的水下机器人长约60cm,宽约40cm,高约40cm,机身自重约为10kg,最大潜航深度为160m,在陆地(或者船上)进行线控。考虑到需要人力运输,该水下机器人使用的零部件和材料都进行了改进,将各部分的重量总和控制在了10kg以内。

水下机器人的机身由铝合金耐压容器和框架构成,容易导致重量增加的法兰等部分则采用了树脂材料。为了保证在南极的低温环境下也能稳定工作,搭载的设备采用了航天部件。向水下机器人供电和通信的电缆采用直径细、张力高的中性浮力电缆(在海水中为中性)。该电缆是研发小组与冈野电线株式会社共同新开发的。

电缆直径约为10mm,空中重量不到1kg/10m,为减轻低温环境及岩石对电缆外层的损伤,外部护套采用了聚氨酯材料。另一方面,为实现小型轻量化,水下机器人也大量采用了消费类产品,深度计和方位计采用东京海洋大学与卡西欧计算器株式会社以消费类产品为基础共同开发的产品。使用消费类产品无需进行复杂的专用设计,采用在南极这种特殊环境下发生故障也能迅速处理的设计。

成果

在此次的湖泊沼泽调查中,利用新开发的水下机器人成功拍摄了每个湖中各不相同的苔藻堆形状和分布情况,并对长池的湖底进行了连续拍摄,确认在水深10m处附近,苔藻堆的形状和尺寸有了很大变化。在奥生湾(Osen Bay)的海洋调查中确认,海冰下大范围栖息有非常多的生物。

宗谷海岸沿岸的概略图

图1:宗谷海岸沿岸的概略图

斯卡夫斯内斯Kizahashi海岸周边的概略图

图2:斯卡夫斯内斯Kizahashi海岸周边的概略图

新开发的南极湖泊沼泽调查用小型水下机器人

照片1:新开发的南极湖泊沼泽调查用小型水下机器人

南极湖泊沼泽(斯卡夫斯内斯的长池)下生长的拥有特殊三维结构的生物集群(苔藻堆

照片2:南极湖泊沼泽(斯卡夫斯内斯的长池)下生长的拥有特殊三维结构的生物集群(苔藻堆)

斯卡夫斯内斯的Kuwai池下生长的苔藻堆

照片3:斯卡夫斯内斯的Kuwai池下生长的苔藻堆。可以明显看出体积比长池小。

斯卡夫斯内斯的佛池下生长的苔藻堆

照片4:斯卡夫斯内斯的佛池下生长的苔藻堆。与其他湖泊沼泽相比,苔藻堆上部的形状不同,表面也不均匀。

斯卡夫斯内斯长池水深10m处附近的苔藻堆分布情况

照片5:斯卡夫斯内斯长池水深10m处附近的苔藻堆分布情况。图中虚线以里基本没有发现大型苔藻堆。

利用小型ROV拍摄的长池苔藻堆的立体图像

照片6:利用小型ROV拍摄的长池苔藻堆的立体图像

斯卡夫斯内斯奥生湾的海底(水深10m处附近)情况

照片7:斯卡夫斯内斯奥生湾的海底(水深10m处附近)情况。

(上)从图中可以看出,海底大范围内栖息着非常多的扇贝和海胆类生物。
(下)从图中可以看出,与海冰分离的冰藻(照片上部)呈层状大面积生长。

文 客观日本编辑部

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