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中国深海探测器如何帮助我们了解深海?

对海洋资源的诉求和保护的需要,催生了不同海深不同功用的深海探测器。这些探测器如何为我们呈现深海的秘密?
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<p>蛟龙号载人潜水器在马里亚纳海沟6700米深处作业。图片来源:Alamy</p>

蛟龙号载人潜水器在马里亚纳海沟6700米深处作业。图片来源:Alamy

“自供电软机器人成功挑战马里亚纳海沟”,这是几个月前刚刚获得中国科学技术部“2021年度中国科学十大进展”的成果之一。这不是人类第一次下到这个海洋最深处的“地球第四极”,却是装备最轻的一次。

当这个不到半斤重的软体机器人、像深渊中的狮子鱼一样在万米海沟扇动翅膀的时候,意味着人类探索深海的技术和方向有了新的可能。

由中国科学家团队研发的软体机器人在南海3224米深处实现自主游动。视频:© Li Guorui et al

海下200米以下,我们称为深海,从这里阳光逐渐昏暗直至消失。海洋八成以上区域水深超过2000米,黑暗和高压让海底探索变得困难。至于1960年以来只有数十人打卡光临过的马里亚纳海沟,其最深处“挑战者深渊”深过一座珠穆朗玛峰外加七座埃菲尔铁塔,压强大到相当于在指甲盖的面积上放置1吨的重物。

为了避免被压碎,深海装备都拥有坚硬抗压的外壳,其中载人装备要求最高,制造研发费用动辄上亿美元,且常常耗时数年。人类探索深海的脚步没有因此停歇,是因为除了拥有丰富的矿藏和多样的生态系统,海洋还吸收了人类排放的三分之一的二氧化碳,对气候变化意义重大;它还提供广泛用于食品医药的生物资源,并可能蕴藏着我们尚不知晓、关系人类和地球未来的生命演化秘密。

中国深海探测器
绘图:Manuel Bortoletti / 中外对话海洋

中国的深潜装备,正是在探查海底资源、探寻海洋生命和应对气候变化的背景下发展起来。比起美、日、法等国,中国的深潜历史要晚不少。中国第一台载人深潜器主要用于水下搜救,1986年下水,只能到水下300米;直到1997年,中国才有第一台无人装备CR-01号深入到水下5179米;载人深潜,要等到2009年蛟龙号试水;而载人潜水器坐底马里亚纳海沟,则是又11年后的事情。这期间,中国建立了以载人潜水器、无人水下机器人、水下滑翔机等组成的装备体系,为中国的深海探索事业奠定了基础。

那么,多种多样的潜水器是如何帮助我们了解深海的?它们又有着怎样的发展趋势?

向海底矿藏出发

名称:CR-01
首赴深海: 1995年
设计深度: 6000米
操作类型: 自治机器人
CR-01是一个无缆自治机器人,可以按照预设的航线行进,执行拍照、测量温度和盐度等任务。绘图:Manuel Bortoletti / 中外对话海洋

6000米级无缆自治水下机器人(简称AUV)CR-01,是中国第一个能到达地球上98%洋底的无人潜水器,凭借预设航线进行海洋穿行测量及观察拍照。它不具有在海底停留作业的能力,是观察级的水下机器人。

不过,这个1995年研制成功、简单到像一只鱼雷的装置,却是世界大洋矿产资源勘探的最初功臣之一。中国大洋矿产资源开发协会(简称“中国大洋协会”)于1991年被联合国批准为深海采矿的第五个先驱投资者,承担东北太平洋15万平方公里海底开辟区的初始勘查。

CR-01在1997年夏初,搭载“大洋1号”考察船进行39天的工程试验,对太平洋海底的多金属结核矿进行了调查,最大入水深度5179米。在配合遥控操作之下,它在水下进行了拍照、海底地势与剖面测量、温度盐度测量等工作,最终完成调查任务,支撑中国在1999年获得了7.5万平方公里大洋矿产的专属勘探权和商业优先开采权。

A deep-sea coral on a polymetallic nodule from the Clarion Clipperton Zone in the central Pacific
在太平洋中部克拉里昂-克利珀顿区(Clarion Clipperton Zone)发现的多金属结核,这里是深海采矿先驱者最感兴趣的地区之一。图片来源:ROV Team / GEOMAR, CC BY

为了规范国际海底勘探开发,国际海底管理局(ISA)依照《联合国海洋法公约》在1994年成立,并已向多个国家发放了31份大洋矿产资源勘探合约,合约持有国拥有对勘探区域的优先开采权。因为约束开采行为的“深海采矿行为准则”至今未谈判达成,真正的大洋采矿还没有开始。谈判的主要胶着点之一,是如何避免采矿对深海环境的毁灭性破坏,毕竟到目前为止,人类勘探过的洋底只有5%,而我们对深海生态和生命的了解还太少。

归属中国大洋协会的7000米级潜水器蛟龙号,是中国第一台深海载人潜水器,能达到地球99.8%的海底。其立项开发,与20世纪末中国大洋协会在国际海底调查研究工作逐渐深入、国家对载人潜水器的应用需求越发迫切不无关系。相比无人潜水器,载人潜水器能够进行更精细的定位采样等水下作业和更全方位的观察,不过除了矿产勘探,这个能够进行海底底泥、岩石矿物、水样和生物采样的巨型装置,更值得关注的意义在于帮助中国和世界更好地认识海底环境和海底的“居民”们。

探索未知生命

名称: 蛟龙号
首航时间: 2009年
最大潜深: 7062米
操作类型: 载人潜水器
蛟龙号可以载乘三人,它的机械臂可以采集矿石和深海生物样本,它还具有录制视频、使用声纳绘制详细的地图等功能。绘图:Manuel Bortoletti / 中外对话海洋

2014年圣诞节前夕,已经多次完成7000米下潜试验的蛟龙号,搭载向阳红9号科考船,到达西南印度洋的洋中脊位置进行第35航次大洋科考。海洋生物学家肖湘概括了此行的目的:“从科学的目标来说是,大家希望去看一看,这个地方的生物多样性,是跟太平洋相近,还是跟大西洋相近。”他说,“我们去的西南印度洋,还是国际上研究最少的一个区域”。

这次出航,蛟龙号第一次在洋中脊上一片被命名为龙旂的海域找到了黑烟囱(冒着黑烟的深海热液口)并取样,以及获取了两千多米海底的底泥、海水等样品。肖湘也希望借助黑烟囱中的古菌,回答生命起源的秘密。

A black smoker on the Mid-Atlantic Ridge
位于大西洋中脊的黑烟囱,其周围依附着许多深海虾类。图片来源:ROV KIEL 6000 / GEOMAR, CC BY
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蛟龙号在西南印度洋热液喷口作业时采集的深海蜗牛。 图片来源:Zhang Xudong / Alamy

进入平均水深近3700米的大海深处,发现新物种很可能是探索收获之一,仅2019年,包括中国在内的科学家们就在深海发现了66种新物种。7000米级别的蛟龙号,能达到绝大部分海域进行从地球物理到生命探索的科考作业;不过,这还不够——2020年11月,“奋斗者号”载人潜水器于同样载乘三人,第一次坐底马里亚纳海沟逾万米深处,带回那里的岩石、海水、生物等样品,并在2021年10月开始投入马里亚纳海沟的常规科考——据报道,该航次启动的“马里亚纳海沟生态环境科研计划”,将“邀请国内外研究学者围绕马里亚纳万米深渊科考,协力攻坚深海地球科学系统的形成与演化、生命起源与环境适应、生物多样性与气候变化等重大科学问题。”

Scientists on the Chinese icebreaker Xue Long
雪龙号极地科考船上的科学家们在白令海布放海翼号水下滑翔机。图片来源:Shen Cheng / Alamy

这一宏大计划,也少不了成本更低、更灵活的非载人潜水器的参与。最轻便的非载人潜水器通常只负责观察测量,最重的工作级机器人能进行水下工程作业,介于二者之间功能兼有的为轻工作级。目前中国已经有从纯观察级到轻工作级的5款无人潜水机器人下到万米深渊。其中,由中国科学院沈阳自动化研究所主持在2016年启动研制的海斗一号,拥有无人潜水器的三种工作模式:有缆(ROV,信号传输更佳),无缆,以及链接光缆同时也能在一定范围自由巡航的混合模式。作为轻工作级机器人,海斗一号在万米深海仍可工作的电动机械手,能抓取、布放,可以在一定程度上补充和替代载人潜水器的功能。

海洋环境信息观测

名称: 海燕-X号
首航时间: 2020年
最大潜深:10619米
操作类型: 自治机器人
海燕-X号是水下滑翔机中的一种。它模仿了鱼鳔的功能,使用气囊来控制其下潜上浮,每次上升到表面将会发送一次剖面监测数据。绘图:Manuel Bortoletti / 中外对话海洋

许多深海潜水器的功能里,都包含了对海洋各深度的温度、盐度、含氧量等信息的监测。这些监测信息,可以帮助我们更及时准确地了解海洋的变化,帮助人类及时采取减缓和适应气候变化的措施。

2013年,中国科学家吴立新及其团队提出“透明海洋”计划,其重要工作内容即利用现代海洋观测和探测技术,全方位、实时获取海洋的有关数据,建立一张高时空分辨率的观察网。

除了卫星数据、Argo深海浮标采样等,水下滑翔机的不定期海底巡航采样,也是海洋数据的重要来源。这些像小飞机一样长着双翅和尾翼的家伙,有着不同的巡航水深,通过浮力调整之字形往复下潜和上升,每上升一次就将信号实时发送给接收平台。天津大学研发了海燕号水下滑翔机系列,据天津大学副校长王树新说,海燕号“具有较高的机动性,能连续跟踪漩涡,这是以往固定观测无法企及的”。而能下到万米深渊的海燕-X号,在2020年7月连续六天的深渊观测中获得了数十个滑翔剖面数据,包括从3000-10619米水深的多个剖面,同步传回了温盐、声学及影像等资料。

2018年,中国科学院沈阳自动化研究所自主研发的海翼号系列,跟随中国第九次北极考察队在白令海公海布放,这也是中国水下滑翔机首次用于北极科考。

2017年开始,中国学者采集构建的海洋数据集,第一次被用到IPCC报告中,成为全球应对气候变化工作的一部分。

深潜新姿势

名称: 未定
深渊首测: 2019年
测试深度: 10900米
操作类型: 自治机器人
这个22厘米长的潜水机器人灵感来自于马里亚纳哈达尔狮子鱼(Mariana hadal snailfish)的身体构造,其柔软的硅体和电子器件的散落式分布,让它可以承受巨大的压力。软体机器人作为研究工具的功能仍在研发之中。绘图:Manuel Bortoletti / 中外对话海洋

不同于上述潜水器和机器人的抗压外壳,软体机器人则仿造生活在水下数千米的狮子鱼的身体构造,将控制电路、电池等器件融入凝胶状的鱼体,通过设计器件和鱼体的材料、结构来抗压,极大地降低了深潜装备的体积、重量和成本。

该机器人只有22厘米长,翼展28厘米宽,可以像鱼一样拍打“鱼鳍”游动,既能直行也能拐弯。这个发明,让深海探索尤其海底微环境的探索有了新的可能。

目前全球有数十种载人、上千种非载人的潜水装置。目前载人潜水器和非载人潜水器各有优势,尚不能互相取代。载人潜水器的高精度和复杂度,使得它必须要有专门的潜航员来驾驶,目前中国已经在培养更多潜航员;而非载人潜水器,因其成本更低、更便捷,应用更为广泛。中国根据从领海到大洋的不同需要,已经开发出了多个系列的水下机器人,除了上面提到的功能,它们还可能承担海底油气探测、生态环境调查、应急救捞、深海考古、水下管道电缆检测维修等多种任务。

软体机器人的灵感来自于2014年在马里亚纳海沟发现的狮子鱼,这段录像是在7485米深处拍摄的。视频:© SOI / HADES / University of Aberdeen (Dr Alan Jamieson)

成本,是在海上开展不同研究的科学家们绕不开的考虑。无人潜水器在智能性、可操控性和从海底与外界通讯技术上的持续提升,将有望满足更多科研需求。

而在挑战者深渊初次展翅的软体机器人,目前还不具备数据采集能力,科研团队未来将为它设计新的材料和结构,提升它的智能性、功能性和效率等。未来,软体机器人有可能在不损坏珊瑚礁或洞穴的情况下采集精致的标本,成为海洋生物学研究新利器。