机器人实验室扩展研究海洋

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

自1800年代后期的HMS挑战者号航行以来，对海洋最远处的探险一直是海洋科学知识的支柱。面对日益增长的海洋问题清单，如海洋酸化、海平面上升和珊瑚白化，海洋学家面临的真正挑战是跟上对气候变化影响的理解。然而，借助一些新开发的技术，现在有一支机器人团队能够伸出援手。

这些机器人被称为环境样品处理器，或ESPs，它们看起来像穿着游泳圈的R2-D2。一旦被释放到海洋中，它们就会采集生物样本，在原位进行实验室实验，并通过卫星将结果发送回陆地。ESPs并没有将海洋学的探索性科学外包给机器人，而是扩展了科学家能够进行调查的范围和领域。

ESP是蒙特雷湾水族馆研究所（MBARI）总裁兼首席执行官、生物海洋学家克里斯托弗·肖林博士领导的20多年工作的成果。这个项目的最大障碍是将分子实验机器人化、优化并缩小到适合水密桶的大小，这些实验即使对于陆地上训练有素的人类研究人员来说也具有挑战性，例如检测痕量化学物质或定量微生物中的特定基因。最终，肖林博士和他的团队成功地将相当于一个实验室的设备装进了一个50加仑油桶大小的容器中，该容器能够在公海中生存。

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当这些机器人采样器仍处于早期开发阶段时，佐治亚大学微生物学助理教授、最近一篇关于ESP的综述的作者伊丽莎白·奥特森博士使用了它们来深入了解海洋浮游植物的内部运作，这些微小的植物负责地球上初级生产力总量的一半，以及依赖于它们的生物。

奥特森和她的团队以前所未有的采样频率研究了北太平洋的微生物群落。通过这些高频率的样本，奥特森博士和她的团队揭示了光合和非光合微生物之间基因表达的优雅编排，这些模式受太阳控制，让人联想到这些微生物家园环境中起伏的波浪。这些数据为了解支撑海洋生态系统的跨物种相互作用提供了一个窗口。

尽管ESP促成了一些开创性的发现，但这些机器人还没有完全准备好独自航行。“说实话，我们一直用一艘船跟着它，”奥特森博士承认。考虑到ESP是一个价值五十万美元的机器人，岌岌可危地悬挂在海洋中央的泡沫塑料浮筒上，这是一个可以理解的决定。然而，自这项研究以来，MBARI的ESP团队在技术上取得了巨大进步，这些机器人即将开始独自航行。

推动生态基因组采样机器人下水的动力来自MBARI的一个部门，名为SURF中心，代表“未来水下研究传感器”，由伯奇博士担任主任。“海洋是运动的，”伯奇博士说。“所以，如果海洋总是在变化而你静止不动，你如何弄清楚发生了什么？” 之前研究中使用的ESP被系泊在一个浮标上，并受到海流涨落的影响。伯奇博士和SURF团队正在开发可移动的ESP，它们可以跟踪一片水域一段时间，或者对深海进行采样并返回水面。即使没有移动能力，奥特森博士和她的团队也通过ESP取得了惊人的发现。“如果你能将这种仪器与自主水下航行器的智能结合起来，你突然就拥有了一个非常强大的工具，”伯奇博士说，它可以跟踪生物在空间和时间上的变化。“当这个东西启动时，我们将改变海洋学。”

在可移动的ESP被释放后，接下来的创新同样令人兴奋。伯奇博士预测，有一天ESP可能能够进行下一代DNA和RNA测序。这些机器还有更实际的应用。今年8月，一个ESP将被部署在伊利湖，就在托莱多市饮用水的进水管道外。

在过去的两个夏天，一种叫做微囊藻的有害藻类在湖中大量繁殖，产生了一种毒素，导致超过50万人没有安全的饮用水。ESP将守卫在伊利湖，能够采集水样，测量微囊藻的丰度和毒素的含量。由于这些结果几乎实时地传输到监测中心，托莱多的水务官员将拥有前所未有的能力，无需离开陆地即可掌握饮用水的安全状况。

ESP的部署为公共健康带来了巨大的希望。除了在饮用水监测中的新角色外，奥特森博士还设想ESP可以监视休闲海滩，留意粪便细菌或有害藻华。目标是在官员们知道“在坏事发生之前就发出警告，而不是在糟糕的一天在海滩游泳之后才告诉你，”奥特森博士说。

在当前的技术革命中，机器人正在工厂、货运仓库甚至客户服务领域取代人类的工作，随着ESP技术的进步，自主海洋机器人是否会消除研究探险的需要，从而将海洋学家困在陆地上？伯奇博士说，这种情况不太可能发生。ESP将能够进入更难到达的地点，而无需过多担心恶劣天气或船只的可用性。“总会有理由派人出去，”伯奇博士说。“与其说是将海洋学困在陆地上，不如说是将海洋学转变为更好的数据和更好的科学，这有助于我们回答更大的问题。” 奥特森博士对此表示赞同，“我想我们只是在扩大我们的范围。这使我们更容易做更多的事情，填补空白，看看我们遗漏了什么。”

总的来说，这些小小的漂浮机器人可能会为海洋微生物学带来一场革命。尽管微小，但ESP能够接触到的微生物可能会为变化中的海洋提供未开发的见解。诀窍仅仅是到那里采集样本，但借助ESP，奥特森博士说，“我们可以掌握海洋的脉搏。”