开发水下机器人，深入极地冰层

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在阿拉斯加北部风大冰冻的波弗特海的偏远地区，来自南加州 NASA 喷气推进实验室的工程师们挤在一起，透过厚厚的海冰层上的一个狭窄洞口往下看。在他们下方，一个圆柱形机器人在寒冷的海洋中收集测试科学数据，它通过一根系绳与通过钻孔将其放入水中的三脚架相连。
这次测试让工程师们有机会在北极操作他们的原型机器人。这也是他们向 IceNode 项目最终愿景迈出的一步：一组自主机器人将深入南极冰架下方，帮助科学家计算这片冰冻大陆的冰融化速度——以及这种融化速度可能导致全球海平面上升的速度。
海水变暖，地形险恶
如果南极洲的冰盖完全融化，全球海平面将上升约 200 英尺（60 米）。它的命运是预测海平面上升的最大不确定性之一。就像气温升高会导致地表融化一样，冰在接触到下方循环的温暖海水时也会融化。
为了改进预测海平面上升的计算机模型，科学家需要更准确的融化速度，尤其是冰架下的融化速度——冰架是延伸至陆地的数英里长的浮冰。虽然冰架不会直接导致海平面上升，但它们却能减缓冰盖向海洋的流动。
JPL 的 IceNode 项目是为地球上最难以到达的地点之一而设计的：南极冰架深处的水下洞穴。目标是在冰融化速度最快的地区直接获取冰海界面的融化率数据。图片来源：NASA/JPL-Caltech
挑战：科学家想要测量融化的地方是地球上最难以到达的地方。具体来说，科学家想要瞄准被称为“接地带”的水下区域，即浮冰架、海洋和陆地的交汇处——并深入未测绘的空洞内部，那里的冰可能融化得最快。上方险恶、不断变化的地貌对人类来说是危险的，卫星无法看到这些空洞，有时这些空洞位于一英里厚的冰层之下。IceNode 旨在解决这个问题。
“多年来，我们一直在思考如何克服这些技术和后勤挑战，我们认为我们已经找到了办法，”JPL 气候科学家兼 IceNode 科学负责人 Ian Fenty 表示。“我们的目标是直接在冰架下方的冰海融化界面获取数据。”
浮动舰队
IceNode 的工程师们利用他们在设计太空探索机器人方面的专业知识，开发了长约 8 英尺（2.4 米）、直径约 10 英寸（25 厘米）的机器人，该机器人的三足“起落架”从一端伸出，将机器人固定在冰层下方。这些机器人没有任何形式的推进器；相反，它们将借助使用洋流模型信息的新软件自主定位。
此次实地测试由美国海军北极潜艇实验室两年一度的冰营组织开展，是 IceNode 首次在极地环境中进行测试。该团队希望有朝一日能在南极冰架下部署一支自主机器人舰队。
这些机器人从公海的钻孔或船只中释放出来，然后乘着洋流在冰架下进行长途旅行。到达目标后，每个机器人都会放下压舱物，浮出水面，固定在冰层底部。它们的传感器会测量温暖、咸咸的海水循环融化冰的速度，以及较冷、较淡的融水下沉的速度。
IceNode 机器人舰队将运行长达一年，持续捕捉数据，包括季节性波动。然后，机器人将脱离冰层，漂流回公海，并通过卫星传输数据。
“这些机器人是一个平台，可以将科学仪器运送到地球上最难到达的地方，”JPL 机器人工程师兼 IceNode 首席研究员 Paul Glick 说道。“它旨在为一个难题提供安全、相对低成本的解决方案。”
2022 年的一次现场测试中，远程摄像机捕捉到了部署在密歇根上半岛苏必利尔湖冰冻水面下的 IceNode 原型。机器人“起落架”的三条细腿将原型固定在冰冷的天花板上。
北极实地试验
虽然 IceNode 还需要进一步的开发和测试，但迄今为止的工作前景看好。继之前在加州蒙特利湾和苏必利尔湖冬季冰冻水面下部署之后，2024 年 3 月的波弗特海之行提供了首次极地测试。零下 50 华氏度（零下 45 摄氏度）的气温对人类和机器人硬件都提出了挑战。
此次测试在美国海军北极潜艇实验室每两年举办一次的冰营中进行，为期三周，为研究人员提供了一个临时大本营，以便在北极环境中开展实地工作。
当原型机下潜到海里约 330 英尺（100 米）时，其仪器收集了盐度、温度和流量数据。该团队还进行了测试，以确定未来机器人脱离束缚所需的调整。
“我们对进展感到满意。希望继续开发原型，将它们带回北极，在海冰下进行未来的测试，并最终看到整个舰队部署在南极冰架下，”格里克说。“这是科学家需要的宝贵数据。任何能让我们更接近实现这一目标的事情都令人兴奋。”