Robot tự động Rover cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cuộc sống trên đáy biển sâu thẳm

Robot tự động giúp các nhà khoa học giám sát lâu dài chu trình carbon dưới biển sâu và biến đổi khí hậu.

Sự mở rộng tuyệt đối của biển sâu và những thách thức về công nghệ khi làm việc trong môi trường khắc nghiệt khiến những độ sâu này khó tiếp cận và nghiên cứu. Các nhà khoa học biết nhiều hơn về bề mặt của mặt trăng so với đáy biển sâu. MBARI đang tận dụng những tiến bộ trong công nghệ robot để giải quyết sự chênh lệch này.

Một người máy robot tự động, Benthic Rover II, đã cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về cuộc sống dưới đáy biển vực thẳm, 4.000 mét (13.100 feet) dưới bề mặt đại dương. Một nghiên cứu được công bố ngày hôm nay trên Science Robotics đã nêu chi tiết về sự phát triển và hoạt động lâu dài đã được chứng minh của loại máy quay này. Phòng thí nghiệm di động sáng tạo này đã tiết lộ thêm về vai trò của biển sâu trong chu trình cacbon. Dữ liệu được thu thập bởi rover này là cơ bản để hiểu tác động của biến đổi khí hậu đối với đại dương.

“Sự thành công của chiếc tàu thăm dò vực thẳm này hiện cho phép theo dõi lâu dài mối ghép nối giữa cột nước và đáy biển. Hiểu được các quá trình được kết nối này là rất quan trọng để dự đoán sức khỏe và năng suất của hành tinh của chúng ta đang chìm trong khí hậu thay đổi, ”Nhà khoa học cấp cao của MBARI Ken Smith cho biết.

Mặc dù có khoảng cách với các vùng nông ngập nắng, đáy biển sâu được kết nối với vùng nước phía trên và rất quan trọng đối với chu trình và hấp thụ carbon. Các phần chất hữu cơ – bao gồm thực vật và động vật chết, chất nhầy và chất thải bài tiết – từ từ chìm qua cột nước xuống đáy biển. Cộng đồng động vật và vi sinh vật trên và trong bùn sẽ tiêu hóa một phần carbon này trong khi phần còn lại có thể bị nhốt trong trầm tích dưới đáy biển sâu trong hàng nghìn năm.

Biển sâu đóng một vai trò quan trọng trong chu trình carbon và khí hậu của Trái đất, tuy nhiên chúng ta vẫn biết rất ít về các quá trình xảy ra hàng nghìn mét dưới bề mặt. Những trở ngại kỹ thuật như áp suất cực lớn và tính chất ăn mòn của nước biển khiến việc đưa thiết bị xuống đáy biển sâu để nghiên cứu và theo dõi sự lên xuống và dòng chảy của carbon là rất khó khăn.

Trước đây, Smith và các nhà khoa học khác đã dựa vào các công cụ tĩnh để nghiên cứu mức tiêu thụ carbon của các cộng đồng dưới đáy biển sâu. Họ chỉ có thể triển khai những công cụ này trong vài ngày cùng một lúc. Bằng cách xây dựng dựa trên 25 năm đổi mới kỹ thuật, MBARI đã phát triển một giải pháp lâu dài để giám sát đáy biển sâu.

“Các sự kiện thú vị dưới đáy biển sâu thường xảy ra trong thời gian ngắn và trong khoảng thời gian không thể đoán trước, đó là lý do tại sao việc giám sát liên tục với Benthic Rover II là rất quan trọng,” Trưởng nhóm Kỹ thuật Điện Alana Sherman giải thích. “Nếu bạn không xem mọi lúc, bạn có thể bỏ lỡ hành động chính.”

Benthic Rover II là kết quả của quá trình làm việc chăm chỉ của một đội hợp tác gồm các kỹ sư và nhà khoa học MBARI, dẫn đầu là Smith và Sherman.

Các kỹ sư tại MBARI đã thiết kế Benthic Rover II để xử lý các điều kiện lạnh, ăn mòn và áp suất cao của biển sâu. Được chế tạo từ titan chống ăn mòn, nhựa và bọt tổng hợp chịu áp lực, chiếc máy bay này có thể chịu được việc triển khai ở độ sâu lên đến 6.000 mét (khoảng 19.700 feet).

“Ngoài những thách thức vật lý khi vận hành trong những điều kiện khắc nghiệt này, chúng tôi cũng phải thiết kế một hệ thống điều khiển máy tính và phần mềm đủ tin cậy để chạy trong một năm mà không bị hỏng hóc — không ai ở đó để nhấn nút khởi động lại,” Kỹ sư điện của MBARI Paul giải thích McGill. “Các thiết bị điện tử cũng phải tiêu thụ rất ít điện năng để chúng tôi có thể mang đủ pin để sử dụng trong một năm. Bất chấp tất cả những gì nó làm, rover chỉ tiêu thụ trung bình hai watt – tương đương với một chiếc iPhone ”.

Benthic Rover II có kích thước bằng một chiếc ô tô nhỏ — dài 2,6 mét (8,5 feet), rộng 1,7 mét (5,6 feet) và cao 1,5 mét (4,9 feet) — và nhẹ nhàng lướt qua đáy bùn trên một đôi rộng, đường ray cao su.

Các nhà nghiên cứu triển khai Benthic Rover II từ tàu của MBARI, R / V Western Flyer . Thủy thủ đoàn của con tàu rón rén hạ thấp tàu lặn xuống nước và thả nó để rơi tự do xuống đáy đại dương. Rover mất khoảng hai giờ để đến đáy. Sau khi hạ cánh xuống đáy biển, người lái tàu có thể bắt đầu sứ mệnh của mình.

Đầu tiên, các cảm biến kiểm tra các dòng chảy dọc theo đáy biển. Khi chúng phát hiện các dòng điện thuận lợi, máy dò di chuyển lên trên hoặc băng qua dòng điện để đến một vị trí không bị xáo trộn để bắt đầu thu thập dữ liệu.

Các camera ở mặt trước của rover chụp ảnh đáy biển và đo huỳnh quang. Sự phát sáng đặc biệt này của chất diệp lục dưới ánh sáng xanh cho thấy lượng thực vật phù du “tươi” và các mảnh vụn thực vật khác đã đổ bộ vào đáy biển. Các cảm biến ghi lại nhiệt độ và nồng độ oxy của vùng nước ngay trên đáy.

Tiếp theo, thợ lặn hạ thấp một cặp buồng đo hô hấp trong suốt để đo lượng oxy tiêu thụ của cộng đồng sống trong bùn trong 48 giờ. Khi động vật và vi sinh vật tiêu hóa chất hữu cơ, chúng sử dụng oxy và thải ra carbon dioxide theo một tỷ lệ cụ thể. Biết được lượng oxy mà các loài động vật và vi sinh sử dụng là rất quan trọng để hiểu được quá trình tái khoáng carbon — sự phân hủy chất hữu cơ thành các thành phần đơn giản hơn, bao gồm carbon dioxide.

Sau 48 giờ, người điều khiển nâng các buồng đo hô hấp và di chuyển về phía trước 10 mét (32 feet), cẩn thận không đi qua đường trước đó của nó và chọn một vị trí khác để lấy mẫu. Nó lặp đi lặp lại mẫu lấy mẫu này trong suốt thời gian triển khai, thường là cả năm.

Khi kết thúc mỗi lần triển khai, R / V Western Flyer quay lại khôi phục bộ định tuyến, tải xuống dữ liệu của nó, hoán đổi pin và đưa nó trở lại đáy biển sâu trong một năm nữa. Trong mỗi đợt triển khai kéo dài hàng năm, nhóm MBARI sẽ khởi động một robot tự động khác – Wave Glider – từ bờ trở lại hàng quý để kiểm tra tiến độ của Benthic Rover II. McGill giải thích: “Người thám hiểm không thể liên lạc trực tiếp với chúng tôi để cho chúng tôi biết vị trí hoặc tình trạng của nó, vì vậy chúng tôi gửi một robot để tìm robot của chúng tôi. Một thiết bị phát âm thanh trên Wave Glider phát ra tiếng kêu của chiếc tàu lượn trên đáy biển bên dưới. Sau đó, rover sẽ gửi các bản cập nhật trạng thái và dữ liệu mẫu tới glider overhead. Tàu lượn sau đó truyền thông tin đó cho các nhà nghiên cứu trên bờ qua vệ tinh.

Chuyên gia nghiên cứu cấp cao của MBARI, Crissy Huffard, cho biết: “Dữ liệu từ Benthic Rover II đã giúp chúng tôi định lượng khi nào, bao nhiêu và nguồn carbon nào có thể bị cô lập hoặc lưu trữ dưới đáy biển sâu.

Trong bảy năm qua, Benthic Rover II đã liên tục hoạt động tại Trạm M , một địa điểm nghiên cứu của MBARI nằm cách bờ biển trung tâm California 225 km (140 dặm). Trạm M nằm dưới bề mặt đại dương 4.000 mét (13.100 feet) – sâu bằng độ sâu trung bình của đại dương – khiến nó trở thành một hệ thống mô hình tốt để nghiên cứu các hệ sinh thái vực thẳm.

Trong 32 năm qua, Smith và nhóm của ông đã xây dựng một đài quan sát dưới nước độc đáo tại Trạm M. Benthic Rover II và một loạt các thiết bị khác hoạt động ở đó 24 giờ một ngày, bảy ngày một tuần, trong suốt một năm mà không cần bảo dưỡng.

Sherman cho biết: “Khả năng vận hành đáng tin cậy của chiếc rover trong hơn bảy năm, dành 99% tuổi thọ của nó dưới đáy biển, là kết quả của nhiều năm thử nghiệm, khắc phục sự cố và phát triển các kỹ thuật tốt nhất để bảo dưỡng chiếc xe. “Đó là một ví dụ tuyệt vời về những gì có thể xảy ra khi áp dụng công nghệ vào các vấn đề khó khăn trong khoa học”.

Dữ liệu thu thập được tại Trạm M cho thấy biển sâu không có động tĩnh. Các điều kiện vật lý, hóa học và sinh học có thể thay đổi đáng kể theo khoảng thời gian từ hàng giờ đến hàng thập kỷ.

Vùng nước bề mặt của Dòng chảy California qua Trạm M có rất nhiều thực vật phù du vào mùa xuân và mùa hè. Những xung động theo mùa này trong dòng chảy năng suất từ cột nước đến đáy biển. Phần lớn chất hữu cơ chìm này – được gọi là “tuyết biển” – có nguồn gốc là carbon dioxide trong khí quyển.

Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu của MBARI đã quan sát thấy sự gia tăng đáng kể các đợt tuyết biển lớn rơi xuống đáy biển tại Trạm M. Những sự kiện theo đợt này chiếm một phần ngày càng tăng trong nguồn cung cấp lương thực hàng năm tại địa điểm này. Trong bảy năm hoạt động tại Trạm M, Benthic Rover II đã ghi lại các sự kiện quan trọng hàng tuần, theo mùa, hàng năm và theo đợt — tất cả đều cung cấp dữ liệu giúp các nhà nghiên cứu của MBARI hiểu được chu trình carbon dưới biển sâu.

Từ tháng 11 năm 2015 đến tháng 11 năm 2020, Benthic Rover II đã ghi nhận sự gia tăng đáng kể lượng mưa thực vật phù du chết và các mảnh vụn thực vật giàu có khác (phytodetritus) đổ bộ xuống đáy biển sâu từ vùng nước trên cao. Sự sụt giảm nồng độ oxy hòa tan trong vùng nước ngay trên đáy biển sâu kèm theo lượng chất hữu cơ này.

Các công cụ giám sát ngắn hạn truyền thống sẽ không phát hiện ra những biến động dẫn đến những thay đổi và xu hướng dài hạn. Benthic Rover II đã tiết lộ một bức tranh đầy đủ hơn về cách carbon di chuyển từ bề mặt xuống đáy biển.

Huffard nhấn mạnh: “Benthic Rover II đã cảnh báo chúng tôi về những thay đổi quan trọng trong ngắn hạn và dài hạn ở vùng biển sâu đang bị bỏ lỡ trong các mẫu xe toàn cầu”.

Sự thành công của Benthic Rover II và công việc đang diễn ra của MBARI tại Trạm M làm nổi bật cách các nền tảng bền bỉ và quan sát lâu dài có thể giúp chúng ta hiểu thêm về không gian sống lớn nhất trên Trái đất như thế nào. Với việc ngày càng có nhiều công ty tìm cách khai thác tài nguyên khoáng sản từ đáy biển sâu, những dữ liệu này cũng cung cấp những hiểu biết có giá trị về điều kiện cơ bản ở các khu vực đang được xem xét để phát triển công nghiệp hoặc khai thác dưới đáy biển sâu.

Đại dương cũng là một thành phần quan trọng trong chu trình carbon và khí hậu của Trái đất. Đại dương và các cộng đồng sinh vật của nó là bể chứa carbon dioxide. Đốt nhiên liệu hóa thạch, chăn nuôi và dọn rừng thải ra hàng tỷ tấn carbon dioxide vào bầu khí quyển của chúng ta mỗi năm. Đại dương đã bảo vệ chúng ta khỏi những tác động tồi tệ nhất bằng cách hấp thụ hơn 25% lượng carbon dioxide dư thừa này. Đối mặt với khí hậu đang thay đổi, việc hiểu được cách carbon di chuyển giữa bề mặt ngập nắng của đại dương và độ sâu tối của nó là điều quan trọng hơn bao giờ hết.

Tham khảo: “Abyssal Benthic Rover: giám sát dài hạn tự động các quá trình dưới đáy đại dương” ngày 3 tháng 11 năm 2021, Science Robotics .
DOI: 10.1126 / scirobotics.abl4925

Về MBARI

MBARI (Viện Nghiên cứu Thủy cung Vịnh Monterey) là một trung tâm nghiên cứu hải dương học phi lợi nhuận tư nhân, được thành lập bởi David Packard vào năm 1987, tập trung vào việc phát triển các công nghệ tiên tiến để khám phá và tìm hiểu đại dương. Sứ mệnh của MBARI là thúc đẩy khoa học và công nghệ hàng hải để hiểu về một đại dương đang thay đổi.

Theo Scitechdaily