南极潜水机器人在欧罗巴任务中的实践

美国国家航空航天局的伽利略号宇宙飞船发现了欧洲的一片海洋，这颗巨大的木星被列入了值得调查的外星生命迹象的世界名单。

探索这片海洋并不容易：它被冰覆盖，厚度可能高达100公里（62英里）。但去年年底，美国国家航空航天局资助的一组科学家和工程师朝着研究如何做到这一点迈出了重要一步。

ENDURANCE项目（ENDURANCE代表“冰下无环境干扰南极机器人探索者”）结束了在邦尼湖的第二个野外考察季，邦尼湖是南极洲干谷中一个冰封的湖泊。

邦尼湖由两个裂片组成，由一条狭窄的河道连接。在西波瓣的西端，泰勒冰川下降到湖面的冰层下方。冰川的边缘是一个水下的小冰架，突出到湖面以下约17米（56英尺）的湖中。

正如他们在2008年该项目的第一个野外季节所做的那样，EUDURANCE团队成员在2009年的季节开始时，在邦尼湖的冰盖上融化了一个2米（6.6英尺）宽的洞，并在周围建造了一个临时总部，配备了一台能够将1300公斤（1.4吨）机器人放入湖中的起重机。

在一个月的时间里，ENDURANCE研究了LakeBenney的西叶，包括泰勒冰川的水下表面，有时一天内进行多次跑步。利用声纳，它制作了一张西半球的高分辨率测深图。同时，它每100米（328英尺）停一次，把一包被称为“探空仪”的科学仪器放在水柱中，收集温度、盐度、pH值和一些生物指标的数据。在冰川表面附近，采样频率更高。

ENDURANCE在2008年项目第一季期间收集了部分类似数据。2009年，ENDURANCE成功探索了整个西半球。它还穿过连接东西湖的波尼海峡，并首次探索了东波瓣的部分地区。

其结果可能是地球上任何湖泊中最广泛的三维生物地球化学地图。蒙大拿州立大学教授、“持久性”科学团队成员约翰·普里斯库说：“我所知道的世界上没有其他湖泊的数据集是这样的。”他补充道：“我们进行这项研究的唯一方法是机器人。”

在接下来的一年里，Priscu和芝加哥伊利诺伊大学（UIC）的地球与环境科学教授、ENDURANCE项目的首席研究员Peter Doran将与UIC的电子可视化实验室合作，制作邦尼湖数据的三维表示，坐在10乘20英尺屏幕前的观众可以研究这些数据，即使他们在湖中游泳，也可以浏览这些数据。

多兰说，该实验室将制作所有不同参数的单独“彩色三维图”，以突出湖泊内化学、温度和生物梯度的结构。此外，将多个数据集组合成合成图将使科学团队能够可视化参数之间的关系。例如，湖泊中各个点的可用光量如何影响叶绿素的存在，叶绿素是光合活性的指标；或者，对于2008年和2009年收集数据的湖泊部分地区，“一些参数是如何逐年变化的。”

该团队特别感兴趣的是水下泰勒冰川冰架下的区域，在那里，ENDURANCE发现了前一年没有出现的冰冷水流流入湖中的证据。

但冰川的尖端下降到湖面以下约20米（66英尺）。在地表以下约17米（约56英尺）处，邦尼湖的水中出现了一个化学跃层，即盐度的增加，而这种更咸的水比上覆的淡水层更有浮力。为了让耐力沉到盐水中，需要增加更多的重量。

设计和制造该机器人的公司负责人、斯通航空航天公司的Bill Stone说：“如果我们想进入冰川下，我们就必须想出一些方法，让飞行器重新降落到这个化学跃层以下，因为密度增加了近20%。”如果没有额外的重量，耐力“会像软木塞一样在化学诊所上摆动。”

超重会给大多数操作带来问题，因此无法将其添加到操作中心的车辆上，在那里，大型起重机每天都会将ENDRANCE从冰洞中拉出。相反，研究小组在冰川附近的冰上融化了第二个洞，并搭建了一个小型便携式龙门架，将机器人抬出水面，刚好够堆放120公斤（265磅）的铅。耐力随后被放回水中，现在已经足够沉到更咸的一层了。在探索了这个密度更大的区域后，耐力回到了第二个洞，并移除了头部重量，使车辆能够不受阻碍地返回主检修孔。

斯通说，重新配置EndURANCE机器人以探索木卫二冰层下的想法已经在酝酿之中。小型化对这一努力至关重要。他设想了一种携带“多余的子机器人集合”的母飞船。他说，母飞船“对总体地形进行成像”，“向感兴趣的地方机动”，但“远离危险的障碍物”。当它发现一个值得更详细探索的功能时，它会锁定一个子机器人来获取特写图像，收集更高分辨率的化学和生物数据，利用母船上的科学仪器对样品进行化学和生物分析。

在发射航天器探索木卫二海洋之前，需要解决的一个关键程序问题是，它将在多大程度上正常运行。耐力能够在没有人为干预的情况下完成任务，但这样的操作对科学的回归造成了损失。

多兰说，2008年，当ENDURANCE完全自主运行时，“我们无法实时查看科学数据。它会在收集数据时出错，在它回来之前我们不会知道它收集了什么。有时传感器工作不正常，需要某种治疗，直到它回来后我们才能做到这一点，我们浪费了一整天的时间。”然而，在2009年，在其大部分运行过程中，ENDURANCE通过光纤连接，将数据传输到计算机屏幕。多兰说：“我们一直在现场调整。”“如果我们不在那里，我们会有一个数据集，但它远不如一个好的数据集。”

与木卫二上的冰下探索者保持沟通将是困难的。除了无线电信号在地球和木卫二之间传播所需的时间造成的延迟外，还将难以通过数公里的冰层在月球表面与在下方海洋中不断变化的飞行器之间保持通信联系。

普里斯库说，尽管存在挑战，但拥有这种反馈回路可能会决定科学的成功与失败。他认为：“如果我们向木卫二发送一些东西，那么让数据反馈回来，我们就可以在几乎实时的情况下快速做出决定，这将是“非常宝贵的”。”

“耐力”由美国国家航空航天局通过其ASTEP（探索行星的天体生物学科学和技术）计划提供资金。