Глибоководний Mesobot вивчить мешканців сутінкової зони

Американські інженери створили підводного робота Mesobot для вивчення організмів, що мешкають на глибинах від 200 до 1000 метрів. У цій області розташовується так звана сутінкова зона, в яку проникає дуже мало сонячного світла з поверхні. Згідно з сучасними уявленнями, морські організми, що мешкають у цій галузі, можуть суттєво вплинути на глобальний вуглецевий цикл і клімат планети. Mesobot здатний виконувати тривалі дослідницькі місії понад 24 годин зі спостереження за морськими організмами як в повністю автономному режимі, так і з управлінням по оптоволоконному кабелю з поверхні. До складу обладнання апарату крім камер високої роздільної здатності входять різні океанографічні сенсори для вимірювання параметрів навколишнього середовища. Крім того, він здатний нести додаткове змінне обладнання в спеціальних вантажних відсіках. Системи управління та наукові прилади глибоководного апарату влаштовані таким чином, щоб не лякати і не привертати уваги морських мешканців за якими ведеться спостереження. Розробники сподіваються, що Mesobot допоможе їм відстежувати добові вертикальні міграції морських організмів і вже провели ряд успішних тестів робота у відкритому океані, в ході яких спостерігалися кілька представників зоопланктону в сутінковій зоні, йдеться в статті опублікованій в журналі.

Область морів і океанів простягається в глибину від 200 до 1000 метрів, і в яку потрапляє дуже мало сонячного світла, називають мезопелагічною або сутінковою зоною. Біля верхньої межі цієї області вже неможлива первинна продукція за рахунок фотосинтезу, а на глибини нижче цієї зони світло з поверхні не проникає зовсім. Незважаючи на низький рівень освітленості, в сутінковій зоні мешкає безліч морських організмів, життєдіяльність яких справляє великий вплив на глобальний вуглецевий цикл, а значить і на регуляцію клімату на планеті.

Одним з ключових механізмів у транспорті вуглецю, як вважають вчені, може бути добова вертикальна міграція мезопелагічних тварин із сутінкової зони до поверхні і назад. День вони проводять на глибині, ховаючись від хижаків, а вночі під покровом темряви піднімаються до поверхні за їжею. Така поведінка призводить до перенесення частини поглинуваного ними з кормом вуглецю на велику глибину разом з продуктами життєдіяльності.

За оцінками вчених, біомаса риби, що мешкає в мезопелагічній зоні, може в сто разів перевершувати сумарну біомасу всієї риби, що щорічно виловлюється в світі, що робить сутінкову зону привабливою для вивчення не тільки з точки зору чистої науки.

Існуючі на сьогоднішній день роботи для дослідження морів і океанів здатні спускатися на великі глибини, але зазвичай вимагають для роботи постійного зв'язку з судном, що знаходиться на поверхні. Однак для детального вивчення сутінкової зони дослідницький апарат повинен володіти характеристиками, продиктованими особливостями поведінки організмів, що мешкають тут. Багато істот з мезопелагії здійснюють добові вертикальні міграції до поверхні, тому робот повинен володіти великим ступенем автономності, оскільки дослідницькі місії зі спостереження за мезопелагічними тваринами можуть тривати більше 24 годин.

Крім цього, переміщення робота повинні залишатися непомітними для тварин із сутінкової зони, оскільки вони дуже чутливі до гідродинамічних обурень і яскравих джерел світла, які можуть потривожити їх, змусивши тікати, або навпаки, залучаючи до дослідницького апарату.

Враховуючи ці особливості, американські інженери і океанологи під керівництвом Дани Йоргера (Dana R. Yoerger) з Океанографічного інституту Вудс-Хол розробили робота для вивчення мезопелагічної зони, який отримав назву Mesobot. Підводний апарат висотою півтора метра і вагою близько 250 кілограмів здатний занурюватися на глибину до одного кілометра і може діяти повністю автономно або управлятися через оптоволоконний кабель.

Робот оснащений кількома електромоторами з низьким енергоспоживанням, які забезпечують керованість у всіх напрямках. При цьому передбачається, що основні режими роботи робота - це зависання на певній глибині і переміщення у вертикальній площині для спостереження за мезопелагічними організмами під час їх добових міграцій до поверхні і назад.

Для зниження шуму і гідродинамічних обурень, які можуть потривожити живі організми, за якими ведеться спостереження, гвинти на двигунах, що відповідають за переміщення у вертикальному і поздовжньому напрямках, мають великий діаметр (46 сантиметрів). Це дозволяє знизити частоту їх обертання і зменшити швидкість створюваних ними водяних струменів. При цьому на двигунах, що відповідають за бічне зміщення, довелося встановити гвинти з меншим діаметром, щоб зробити апарат більш компактним. Створювані ними струмені води, за словами інженерів, спрямовані в сторони від робота і не викликають сильного обурення в області перед носовою частиною робота, де розташовуються камери, спрямовані на об'єкти спостереження.

Робот оснащений двома камерами, стереозображення з яких використовується для виявлення і супроводу об'єктів спостереження, і кольоровою камерою для збору наукових даних. Вона може записувати 4K відео і робити знімки з роздільною здатністю до 12 мегапікселів. Для підсвічування області спостереження використовуються масиви світлодіодів, що дають червоне або біле світло з регульованою яскравістю. Пошук і виявлення морських організмів у кадрі здійснюється за допомогою алгоритмів розпізнавання об'єктів, які виконуються на базі NVIDIA Jetson TX2. Алгоритм здатний зберігати фокус на об'єкті, навіть коли в кадр потрапляють інші організми.

Після вибору підходящої мети Mesobot може супроводжувати її, прагнучи утримувати об'єкт в центрі поля зору і зберігаючи задану до нього дистанцію. Таким чином вчені зможуть відстежувати переміщення конкретних організмів протягом тривалого часу на глибинах до одного кілометра. За словами розробників, встановлені на борту літій-іонні акумулятори загальною ємністю 4,5 кіловат-годину дозволяють підводному роботу працювати більше 24 годин в режимі супроводу.

Крім цього, Mesobot несе з собою безліч океанографічних сенсорів, які вимірюють параметри навколишнього середовища: температуру, електропровідність, глибину, рівень розчиненого у воді кисню, а також має відсік для встановлення додаткового наукового обладнання, наприклад, пробовідбірників або сонарів.

Розробники провели низку успішних тестів у невеликому басейні і в океані в затоці Монтерей біля узбережжя Каліфорнії, під час яких робот зміг спостерігати і супроводжувати кілька представників зоопланктону. Так, найбільш тривалим виявився тест зі спостереженням за гігантською глибоководною апендикулярією, - представником оболонців, які мешкають у сутінковій зоні океанів. Mesobot протягом 40 хвилин супроводжував організм, утримуючи його в полі зору камер і слідуючи за його переміщеннями у вертикальній площині, викликаними хвилями. Творці робота сподіваються, що він допоможе дізнатися більше про мешканців сутінкової зони, її зв'язки зі зміною клімату і вплив на неї антропогенних факторів.

Раніше ми розповідали про прототип іншого підводного робота, який для пересування використовує навколишню воду. Він виштовхує її з корпусу також, як це роблять кальмари.