機器人實驗室擴充套件研究海洋

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自1800年代後期的HMS挑戰者號航行以來，對海洋最遠處的探險一直是海洋科學知識的支柱。面對日益增長的海洋問題清單，如海洋酸化、海平面上升和珊瑚白化，海洋學家面臨的真正挑戰是跟上對氣候變化影響的理解。然而，藉助一些新開發的技術，現在有一支機器人團隊能夠伸出援手。

這些機器人被稱為環境樣品處理器，或ESPs，它們看起來像穿著游泳圈的R2-D2。一旦被釋放到海洋中，它們就會採集生物樣本，在原位進行實驗室實驗，並透過衛星將結果傳送回陸地。ESPs並沒有將海洋學的探索性科學外包給機器人，而是擴充套件了科學家能夠進行調查的範圍和領域。

ESP是蒙特雷灣水族館研究所（MBARI）總裁兼執行長、生物海洋學家克里斯托弗·肖林博士領導的20多年工作的成果。這個專案的最大障礙是將分子實驗機器人化、最佳化並縮小到適合水密桶的大小，這些實驗即使對於陸地上訓練有素的人類研究人員來說也具有挑戰性，例如檢測痕量化學物質或定量微生物中的特定基因。最終，肖林博士和他的團隊成功地將相當於一個實驗室的裝置裝進了一個50加侖油桶大小的容器中，該容器能夠在公海中生存。

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當這些機器人取樣器仍處於早期開發階段時，佐治亞大學微生物學助理教授、最近一篇關於ESP的綜述的作者伊麗莎白·奧特森博士使用了它們來深入瞭解海洋浮游植物的內部運作，這些微小的植物負責地球上初級生產力總量的一半，以及依賴於它們的生物。

奧特森和她的團隊以前所未有的取樣頻率研究了北太平洋的微生物群落。透過這些高頻率的樣本，奧特森博士和她的團隊揭示了光合和非光合微生物之間基因表達的優雅編排，這些模式受太陽控制，讓人聯想到這些微生物家園環境中起伏的波浪。這些資料為了解支撐海洋生態系統的跨物種相互作用提供了一個視窗。

儘管ESP促成了一些開創性的發現，但這些機器人還沒有完全準備好獨自航行。“說實話，我們一直用一艘船跟著它，”奧特森博士承認。考慮到ESP是一個價值五十萬美元的機器人，岌岌可危地懸掛在海洋中央的泡沫塑膠浮筒上，這是一個可以理解的決定。然而，自這項研究以來，MBARI的ESP團隊在技術上取得了巨大進步，這些機器人即將開始獨自航行。

推動生態基因組取樣機器人下水的動力來自MBARI的一個部門，名為SURF中心，代表“未來水下研究感測器”，由伯奇博士擔任主任。“海洋是運動的，”伯奇博士說。“所以，如果海洋總是在變化而你靜止不動，你如何弄清楚發生了什麼？” 之前研究中使用的ESP被繫泊在一個浮標上，並受到海流漲落的影響。伯奇博士和SURF團隊正在開發可移動的ESP，它們可以跟蹤一片水域一段時間，或者對深海進行取樣並返回水面。即使沒有移動能力，奧特森博士和她的團隊也透過ESP取得了驚人的發現。“如果你能將這種儀器與自主水下航行器的智慧結合起來，你突然就擁有了一個非常強大的工具，”伯奇博士說，它可以跟蹤生物在空間和時間上的變化。“當這個東西啟動時，我們將改變海洋學。”

在可移動的ESP被釋放後，接下來的創新同樣令人興奮。伯奇博士預測，有一天ESP可能能夠進行下一代DNA和RNA測序。這些機器還有更實際的應用。今年8月，一個ESP將被部署在伊利湖，就在托萊多市飲用水的進水管道外。

在過去的兩個夏天，一種叫做微囊藻的有害藻類在湖中大量繁殖，產生了一種毒素，導致超過50萬人沒有安全的飲用水。ESP將守衛在伊利湖，能夠採集水樣，測量微囊藻的丰度和毒素的含量。由於這些結果幾乎即時地傳輸到監測中心，托萊多的水務官員將擁有前所未有的能力，無需離開陸地即可掌握飲用水的安全狀況。

ESP的部署為公共健康帶來了巨大的希望。除了在飲用水監測中的新角色外，奧特森博士還設想ESP可以監視休閒海灘，留意糞便細菌或有害藻華。目標是在官員們知道“在壞事發生之前就發出警告，而不是在糟糕的一天在海灘游泳之後才告訴你，”奧特森博士說。

在當前的技術革命中，機器人正在工廠、貨運倉庫甚至客戶服務領域取代人類的工作，隨著ESP技術的進步，自主海洋機器人是否會消除研究探險的需要，從而將海洋學家困在陸地上？伯奇博士說，這種情況不太可能發生。ESP將能夠進入更難到達的地點，而無需過多擔心惡劣天氣或船隻的可用性。“總會有理由派人出去，”伯奇博士說。“與其說是將海洋學困在陸地上，不如說是將海洋學轉變為更好的資料和更好的科學，這有助於我們回答更大的問題。” 奧特森博士對此表示贊同，“我想我們只是在擴大我們的範圍。這使我們更容易做更多的事情，填補空白，看看我們遺漏了什麼。”

總的來說，這些小小的漂浮機器人可能會為海洋微生物學帶來一場革命。儘管微小，但ESP能夠接觸到的微生物可能會為變化中的海洋提供未開發的見解。訣竅僅僅是到那裡採集樣本，但藉助ESP，奧特森博士說，“我們可以掌握海洋的脈搏。”