广告

一千个潜水机器人

探索海洋的新计划:让一千个机器人漫游。

Google NewsGoogle News Preferred Source

新闻简报

注册我们的电子邮件新闻简报,获取最新的科学新闻

注册

在1992年去世前几年,亨利·斯托梅尔勾勒出了海洋学未来的愿景。现在读起来令人感伤。斯托梅尔是找出墨西哥湾暖流形成原因的人。他帮助建立了海洋洋流运作的基本理论。在此过程中,他获得了所有可能获得的奖项和荣誉。但在他刊登在《海洋学》杂志上的小文章中,斯托梅尔设想放弃这一切。他把自己描绘成二十一世纪的人,从中年的角度回顾1996年刚开始的第二段青春和第二份职业。这份职业被一项单一的发明彻底改变了。

广告

斯托梅尔的第一份职业,就像所有海洋学家一样,首要问题是:缺乏好的数据。与他们用来研究海洋的手段相比,海洋太大,变化太快。气象学家的情况要好得多:他们每天都被数据淹没。他们的温度计和气压计遍布陆地;卫星告诉他们下一场飓风何时到来;每天两次,格林威治时间中午和午夜,他们毫无例外地从全球各地的站点释放800多个氦气球。这些气球在上升过程中会向地面发回它们遇到的温度、压力和风速,直到它们在大约20英里高空爆裂。

然而,想知道海洋深处水文情况的海洋学家,为了更好地了解洋流如何在全球范围内输送热量;为了最终更好地了解我们的气候在长期内可能如何变化,他们感到惋惜。他必须与一艘船和数十名船员一起出海。仅仅是在太平洋中部放置一个温度计,就让他,或者说他的政府,花费数十万美元。在海洋中以直线航行,他会时不时地停下来,在几十年内海洋学家都不太可能再次访问的站点重复相同的常规测量。这是一项乏味、昂贵的工作——而且完成的频率远远不够。

所以斯托梅尔设想了一种能够完成这项任务的机器。它将是海洋学领域的氦气球的等效物,但更好。它将是一个小型、廉价、鱼雷状的无人机,能够自行在海洋中滑翔,配备一种巧妙的新型发动机,不从电池而是从海洋本身获取动力。斯托梅尔设想一千个这样的机器人在海中同时像海豚一样跃出水面,在外停留五年,并用几个简单的传感器收集数据。每天几次,每个机器人都会浮出水面,通过卫星向任务控制中心报告。

那便是斯托梅尔所在之处:科德角附近一个未经破坏的小岛,离伍兹霍尔海洋研究所不远,他在那里度过了他第一段职业生涯的大部分时间。这个岛屿将是一个避难所。它将只有少数常住居民,没有汽车——只有一条窄轨铁路,就像斯托梅尔曾经在自家院子里为逗孙子和自己开心而建造的那条。总部大楼外,羊群会在倾斜到海边的草坡上吃草;大楼内,虚拟现实显示器将使海洋学家沉浸在来自分散的机器人舰队的最新数据中。在斯托梅尔的愿景中,二十一世纪的技术与亨利·戴维·梭罗的阴影和平共存。

他认为,合适的科技能让海洋学家获得自由——摆脱寻船的平静绝望生活;就像斯托梅尔曾经解释的那样,能够从事设计中央公园那样的工作,而不是仅仅修剪草坪。机器人将负责修剪草坪:它们将持续进行船只每隔几十年才能进行的常规勘测。同时,其中大约200个机器人将被预留,用于追随个体研究者的灵感奇思妙想——比如跟踪一群鲸鱼。斯托梅尔在发表他的文章前后,对一群海洋学家说:“在我内心深处,我相信对于一个科学家来说,他与宇宙某个方面的个人精神较量,是他的核心活动和回报。独自一人,他面对未知,并从中领悟一些意义。”斯托梅尔的机器人也将如此,独自面对海洋,没有束缚,每一个机器人既是速记员又是他派遣之人的另一个自我。它们将被命名为“斯洛库姆”,以纪念约书亚·斯洛库姆,他在1898年成为第一个单人环球航行的人。在这些机器人开始科学研究之前,斯托梅尔计划让它们也环游世界。

他没能活到亲眼看到第一个机器人下海。但去年秋天,它还是发生了——因为Slocum不仅仅是斯托梅尔一个人的设想,甚至不是他的主要设想。这个装置本身是伍兹霍尔以北法尔茅斯斯托梅尔家对面的一间小屋里,由一位名叫道格·韦布的独立工程师发明的。去年十月,韦布和他的同事们在百慕大附近的大西洋投放的只是一个原型——它只是在水中上下浮动,而不是滑翔——但这是韦布创新发动机的首次海上试验,而且运行完美。此外,韦布并不是唯一一个从事自主水下航行器(AUV)的工程师;他的项目甚至也不是进展最快的。例如,在麻省理工学院,一位名叫吉姆·贝林厄姆的研究员已经建造了一个名为Odyssey的AUV,它以自己的方式与Slocum一样经济和巧妙,而且已经在海上进行科学研究。在斯托梅尔去世四年后,海员机器人有一天真的会大量下海,并且它们可能会彻底改变我们对这个被水覆盖的星球的理解,这种可能性似乎正在成为现实。

海底机器人并非一直被认为是海洋研究的廉价工具。当它们在20世纪60年代首次构想时,大多数机器人背后的推动力是军事:海军希望机器人能够绘制苏联布设的水下雷区图。为了执行如此复杂的任务,人们认为AUV需要大量的计算能力和大量的电池,因此它需要很大。马萨诸塞州剑桥的德雷珀实验室仍在研究这种机器人扫雷侦察机;它大约40英尺长,重七吨,差不多是霸王龙的大小和重量。对于在德雷珀实验室附近麻省理工学院海洋资助实验室工作的活泼开朗的工程师吉姆·贝林厄姆来说,它在其他方面也是一种恐龙。

大约在1989年斯托梅尔撰写他的论文时,贝林厄姆正在海洋资助计划(Sea Grant)开始他的第一份研究生毕业后的工作。他的博士学位是物理学,研究生期间的研究涉及超导性——但这并不是他想用他一生去做的事情。他回忆道,大约在那个时候,高温超导体被发现,这彻底改变了该领域的面貌。以前只有50人的会议和研讨会,突然之间涌入了2000人,你知道,来自大型半导体公司和大型工业企业的人都加入了进来。

一方面,这看起来非常有利可图,另一方面,当一个领域突然变得如此庞大时,似乎没有什么机会让人真正做出贡献。我想做的是找到一个非常有前景但尚未有大量活动的领域,因为它有点过于超前。人们会说,‘是的,它会成功,但也许要等到下个世纪的某个时候。’

广告

AUV满足了这一要求。因此,当“海洋补助金”项目向他提供建造AUV的工作时,贝林厄姆抓住了这个机会。他的第一次尝试是“海喷射器”(Sea Squirt),一个三英尺长、77磅重的笨重机器,它在易用性上弥补了其外观的不足。“海喷射器”是一个测试平台:贝林厄姆和他的学生们在里面塞满了各种传感器。最重要的是,他们用它来测试一种新的机器人智能方法,称为“分层控制”,当时正由麻省理工学院的一位名叫罗德尼·布鲁克斯的工程师开创。

控制机器人传统方法是尝试赋予它一个粗略的人类智能版本,以及其环境地图;机器通过传感器信息不断更新地图,然后从许多可能的动作中选择最有可能达到其目标的行动。然而,所有这些绘图和智能决策都需要大量的计算能力,这使得机器人变得庞大而昂贵。它也使得机器人在波涛汹涌的海洋中,在更新地图时有撞上礁石的危险。

广告

相比之下,分层控制以昆虫而非人类作为智能模型。它用行为的层级结构取代了一个大型中央大脑和世界地图,每个行为都独立于其他行为。例如,海螺的一个优先事项是避障——避免撞上岩石。任何时候,当其声纳信号似乎要求时,这种生存行为都可以从更面向目标的行为(例如寻找目标)中接管机器人的控制。贝林厄姆和他的团队发现分层控制在海螺中运行良好(尽管在生存不受威胁时决定哪个行为负责被证明是棘手的)。这个小无人机可以在距离海洋资助实验室几个街区的查尔斯河中航行,而不会撞沉任何帆船,也不会撞沉自己。它甚至可以生成水温调查报告。

然而,经过几年的努力,贝林厄姆的老板,海洋资助计划主任克里索斯托莫斯·克里索斯托米迪斯开始催促他深入思考——更深几英里。毕竟,目的是探索海洋,而不是查尔斯河。要潜入海底,机器人需要能够承受几英里深水体产生的巨大压力。当贝林厄姆开始思考这个问题时,他知道他必须在预算内思考。海洋资助计划不是海军,而海军是巨型AUV的资助者,对“海雀”并不感兴趣。贝林厄姆面临的问题是:是否有可能建造一艘机器人潜艇,能够潜入海底,做一些有用的事情,然后活着回来,所有费用大约5万美元?

资金限制迫使贝林厄姆思考新的问题。他的第一个想法是关于机器人的船体。保护AUV内部免受数百个大气压力的传统方法是使用钛合金制造船体,钛合金坚固、耐腐蚀且相对较轻——但钛合金船体将直接超出贝林厄姆的预算。在伍兹霍尔的一些实验室四处打探,他发现了一种替代品:玻璃。法尔茅斯一家名为Benthos的公司在向海洋学家供应17英寸直径的玻璃球体方面业务繁忙,这些球体用于容纳海底仪器;当球体密封时,它们足够坚固,可以承受整个海洋的压力。而且每个球体只需几百美元。

贝林厄姆发现Benthos玻璃球后,他的深海机器人很快开始成形。他决定,一个玻璃球可以容纳包含机器人昆虫般大脑的个人电脑,以及用于导航的指南针和俯仰/滚转传感器。另一个球可以容纳为电子设备和电机供电的电池。将它们安装在一个硬塑料框架中,就构成了AUV的核心。电机和您可能需要的大多数传感器——声纳、摄像机、温度和盐度传感器——可以围绕玻璃球阵列,它们不需要在内部。所有这些设备在您从海事设备制造商处购买时都自带压力外壳——事实上,不带外壳购买反而更贵。贝林厄姆意识到,有了Benthos玻璃球和现成设备,他就可以不需要一个防水钛合金船体。他只需在设备周围安装一个塑料整流罩,使其具有良好的空气动力学形状——成本:2000美元——然后让水淹没它。尾部的方向舵是一个不错的点睛之笔:它们来自帆板制造商。

广告

结果就是“奥德赛”号,一艘八英尺长、350磅重的潜艇,很快就超越了查尔斯河。它于1993年首次出海,当时麻省理工学院的一位海洋学家朋友邀请贝林厄姆和他的团队一起前往南极洲巡航。贝林厄姆坐在德雷克海峡白浪滔天的橡皮艇上,用放在膝盖上的笔记本电脑操控“奥德赛”号,有机会直面任何AUV建造者的原始恐惧——那就是有一天这个小家伙可能不会回来。前两次潜水一切顺利。然后是第三次。贝林厄姆回忆说:“原来声学条件是这样的,当它浮上来的时候我失去了对它的跟踪。好吧,你会想,‘这不算太糟。当它浮出水面的时候我们会再次发现它。’我们还有一个无线电测向仪,还有一个频闪灯——我们有三种不同的定位设备。此时,这是我们第三次操作,所以我们感觉更自信了一些。”

嗯,问题是,那辆该死的车应该已经浮出水面了,我们却在无线电测向仪上没能接收到信号,声学信标也接收不到,外面是白天,所以频闪灯也没用了。于是我开始担心起来。我开始四处寻找它。很快,船上的每个人都拿着望远镜在寻找它。其实时间并没有那么长,总共可能也就一个小时我们找不到它——对我来说那是一个非常痛苦的小时。我以为我们把它弄丢了。

但船长终于发现了它。他实际上是在观察鸟类,他看到了一只巨大的海燕盘旋了一会儿,然后落在水面上待了一会儿。接着它又飞起来,在空中盘旋。他看到了几次这样的情景,然后朝鸟下面看去——果然,机器人就在那里。发生的事情是,当这只大鸟落在我们的机器人上时,它会将机器人压入水中。机器人会缓慢地重新浮上水面,直到再次突破水面——然后鸟又落在上面,将其压下去。这样一来,无线电信标就淹没在水下了,你无法接收到它。你如何为此做计划?

当然,另一个问题是,在查尔斯河里,白色的交通工具很容易看见。而在德雷克海峡,波涛汹涌的地方,白色的交通工具是看不见的。这就是为什么我们所有的新交通工具都是黄色的。

广告

在南极洲,贝林厄姆不仅证明了他愿意让他的“孩子”冒险,而且还证明了他能让它在海洋中工作。之后,他的电话开始响个不停。人们想和他合作。甚至海军也感兴趣了——这就是为什么,在南极之旅一年多后,贝林厄姆发现自己身处世界的另一端,在阿拉斯加北坡150英里处的一个海军浮冰营地,肩上扛着一支步枪以防北极熊。在北极,他对自己的工程学的信心受到了更严峻的考验:“奥德赛”号证明它可以通过在六英尺厚的冰上切割出的洞投放,巡航一段时间,然后再次找到这个洞。海军现在想用“奥德赛”号研究极地冰层如何破碎——这是一个人们知之甚少的过程,对潜艇在冰下航行很重要,也影响着地球如何应对全球变暖。不过,贝林厄姆在第一次北极之旅中没有做太多这方面的研究:冰营本身在两周后就解散了。

去年夏天,“奥德赛”号进行了迄今为止最深的海底潜水,潜入华盛顿海岸附近太平洋近一英里深处,到达一个名为“中洋脊”的火山山脉山顶。贝林厄姆说,一旦与他合作的海洋学家拥有自己的“奥德赛”号,他们就不必每年或每两年等待轮到他们乘坐研究船去观察火山了;一旦他们的海底监听设备告诉他们火山喷发已经开始,他们只需将机器人装载到渔船上,几小时内就能出海拍照。贝林厄姆预计最终会有许多研究机构拥有自己的“奥德赛”号。他的实验室已经建造了六个机器人,并正在将设计授权给一家为石油行业提供海上设备的私营公司。显然,“奥德赛”号在监测海底石油管道泄漏方面有着未来。

广告

贝林厄姆说:“将事物推向商业世界,并应用于更广泛的社会问题——我认为这将是我们的一个真正成就。”“特别是它将是第一个真正进入商业生产的AUV。我的意思是,那是一件大事。如果你看看航空史,很长一段时间里很多人都在制造飞机,但没有一架获得商业成功。直到DC-3的出现。如果我们最终拥有AUV中的DC-3,那么我们就做出了改变。”

奥德赛号无疑和DC-3一样灵活,因为它的设计模块化非常彻底。传感器可以根据任务增减;固定在黄色整流罩内,它们不会影响车辆在水中的性能。新的行为可以添加到软件中,而无需重写整个程序;贝林厄姆有一天坐在冰营的帐篷里就完成了。还可以添加第三个玻璃球,并装满电池,将车辆的续航里程延长到约100英里。

另一方面,这个范围仍然相对较短。这意味着“奥德赛”通常会在有限的区域内运行,进行持续几个小时或最多几天的小规模探险,然后返回母船或前往水下停靠站进行电池充电。然而,道格·韦布和汉克·斯托梅尔设想的是一种完全不需要船只,并且可以持续五年,甚至比约书亚·斯洛库姆本人更长的机器人。

斯托梅尔曾为伍兹霍尔海洋研究所出版的杂志《海洋世界》撰写过一篇关于他的朋友韦布的人物专访。文章开头写道:“道格·韦布看起来是一个谨慎而深思熟虑的人,但他的职业生涯表明他实际上异常大胆。”韦布当然不符合电影中冒险家的形象。他现在66岁,身材结实,宽阔的头上稀疏的头发。夏天,他喜欢穿带肩章的衬衫和百慕大短裤,但不遮盖他细长的双腿。他看起来不像一个23岁时会离开家乡安大略省,去英格兰曼彻斯特大学,在包括计算机先驱艾伦·图灵在内的实验室工作的人;也不像一个在那里花一部分时间赛车布加迪跑车的人;更不像一个会放弃学术,去意大利办公设备制造商奥利维蒂公司从事计算机工作的人。他最不像一个会说意大利语的人。他的举止,虽然不疏远也不不友好,但很谨慎,甚至有些拘谨。斯托梅尔曾这样评价自己:他之所以选择物理科学领域的职业——他也曾考虑过神职——是因为他确信自己在情感上更适合处理物理定律而不是人际事务。人们在韦布身上也感受到了类似的,关于如何最好地处理顽固的人类物质的不确定性。他说:“我努力小心,以免造成威胁。”

然而,人们往往不像初次见面时看起来那样,韦布非常喜欢意大利。他和他的妻子雪莉,他们是在高中化学实验课上相识的,在那里生活了六年,如果不是家庭纽带将他们拉回北美,他们可能已经永久定居下来——家庭纽带,以及韦布迫切的职业转型愿望。他说,到了1962年,信不信由你,我清楚地意识到计算机行业将会变得非常庞大,而我将成为这个行业的专家。计算机最初是一个通才的领域,我决定我更适合做一名通才。我列出了一份我认为不会经历这个周期的行业清单,而海洋学,我认为,会提供机会。

韦布在1962年发现的机会是在伍兹霍尔,作为一名工程师与物理海洋学家合作——那些研究洋流的海洋学家。这些研究人员使用的基本方法之一是用漂浮物追踪洋流。不久前,这些漂浮物是装有信息的卡片或瓶子,但今天它们往往是更复杂的设备。在伍兹霍尔,韦布以“浮标大师”而闻名。他最著名的成功创造是SOFAR浮标。SOFAR代表声波定位和测距,它指的是海洋中一层,通常在水面以下约3000英尺处,倾向于捕获声音并将其传播很长的距离。韦布和一位名叫汤姆·罗斯比的海洋学家根据斯托梅尔在1949年提出的一个想法,建造了一种可以在水下洋流中漂移的设备,同时发出巨大的轰鸣声,这些声音将通过SOFAR信道传播,让远处的海洋学家能够追踪浮标。在1970年代和1980年代,研究人员将数百个SOFAR浮标扔进海洋——尽管“扔”可能不是正确的词:一个SOFAR浮标重达半吨,大约25英尺长,大部分是铝管。在斯托梅尔撰写的个人资料中,有一张韦布站在伍兹霍尔码头,旁边是一个直立的SOFAR浮标的旧照片,他看起来很自豪,也很渺小。

广告
广告

“他是个巨人,”贝林厄姆说,“我在见到他之前很久就听说过他了。你知道,有些人有伟大的想法,然后有些人真正将事情付诸实践。他的浮标几乎到了不再显得多么了不起的程度。就像‘哦,是的,外面有上百个那样的东西。’‘是的,而且它们都能用。’他就是让它们工作并有远见创造它们的人。”

Slocum的愿景渐渐出现在韦布的脑海中。1974年,当他仍沉浸在SOFAR项目中时,他第一次开始思考一种能够自行跨越大西洋,而不是随洋流漂浮的AUV。但直到1988年,在研究SOFAR的一个衍生项目“鲍勃”(Bobber)——一个在水中漂浮时可以上下起伏的浮标——时,韦布才看到了动力的来源。每次鲍勃想要上升时,它都会通过内部储液器泵出油来给外部橡胶气囊充气;这在不改变其质量的情况下增加了其体积,从而使浮标更具浮力。当需要下降时,鲍勃只需将油泵回内部储液器并下沉。这项工作由电池驱动的油泵完成。韦布意识到有一种更自然的方法可以使其膨胀和收缩:只需加热和冷却。他想到,也许有一种方法可以通过从海洋中吸取热量然后将其放回去来为起伏的AUV提供动力。他说:“那是我第一次看到水下航行器的热力推进。不过,鲍勃是一个非常密集的项目,我没有时间停下来。但当它结束时,我又回头整理了那些零散的想法。”

然后他有了第二个想法。毕竟,梦想不只是建造一个更好的鲍勃号;而是建造一个能跨越大西洋的机器人。然而,一旦它能上下浮动,那么——至少在概念上——让它也能水平移动就很容易了:你只需给它装上翅膀,让它滑翔。当机器人落入海洋时,水流过这些翅膀会产生升力,这将使它向下和向前移动,而不是笔直向下——让你手中的纸滑翔机落下,你会看到这是真的。在深度达到某个最低点时,滑翔机就会改变浮力,再次开始上升。与此同时,它的热力发动机将不断进行再补给:在温暖、阳光充足的水面,它会从水中吸收热量;在寒冷的深处,它会将热量释放回去。机器人无需电池供电,可以自由飞行,横跨大西洋。原则上,它甚至可以环游世界。

整个概念简单、优美,用韦布的话说——“甜美”。韦布感觉到他有了一个很好的想法,可以为他的职业生涯画上一个圆满的句号。然而,此时,他早已放弃了海洋研究所的结构化保障,在自家房子后面的小屋里创办了自己的浮标制造公司——韦布研究公司。他现在是一名商人,依赖于从海洋学家那里获得的合同,而海洋学家又必须从政府那里获得资助。他雇用了六个人,包括他的儿子。他的想法必须支付工资。他可能同时有10到20项发明在脑海中盘旋,但其中任何一项要想有所进展,都需要一位海洋学家对此感到兴奋。1988年,韦布带着他的热力驱动跨洋滑翔机方案四处奔走,尽管他有成功的记录,但运气不佳。这个想法过于激进,除了怀疑之外,没有得到任何回应。

所以,在某个时刻,韦布采取了显而易见的行动:他穿过街道,走到汉克·斯托梅尔的家。那是一条双向都被人走得踏实的道路。两人几十年来一直一起出海,自1966年韦布从斯托梅尔那里买下房子,斯托梅尔搬到帕尔默大道对面后,他们就成了陆地上的邻居。他们的个性截然不同。斯托梅尔热情开朗,总是思想泉涌,并乐于将自己的想法无偿分享给那些天赋稍逊的同事;韦布过去和现在都谨慎、害羞,对合作感到紧张。然而,两人之间存在着更深层次的共性。这也许源于他们都是发明家这一事实。韦布发明机器,斯托梅尔发明物理理论——但理论与机器并无太大差异。它旨在解决某个问题,并且拥有必须相互契合并协同工作的部件。它可以简单而优雅——就像斯托梅尔对墨西哥湾暖流的解释一样——也可以复杂而笨拙。它可以是对过去的根本性突破——就像斯托梅尔在1950年代后期关于强大深海洋流的理论一样,当时大多数人认为它们不存在——也可以是对其的适度阐述。韦布和斯托梅尔都喜欢简单和激进。他们共享一种审美。他们觉得同样的事物是“甜美”的。

除了审美观,还有一种道德观。如果你追求的是简洁,如果你致力于在这个世界上创造出真正新颖的东西,那么最好不要成为一个组织化的人,因为大型组织很少同情那些过于富有创造力的个人。韦布说,人们会觉得发明家有威胁。他们改变世界,你所做的一切都可能过时。大多数人希望事物能大致保持现状,并进行渐进式改变以保持领先。如果有人走过来说,‘我想在这里做出一些重大改变’——天哪!你知道,所有那些投资都付诸东流,所有那些数据库都变得一文不值。

广告

我认为这是一种人性的东西,而不仅仅是科学的东西。在工程领域,在商业企业中——福特、通用汽车和克莱斯勒只是在不断地尝试寻找相对于其他公司的优势。他们不希望出现任何激进的东西。那会极大地扰乱所有人。

嗯,这从没困扰过汉克。

广告

斯托梅尔立刻对韦布的热力驱动AUV产生了兴趣。他的众多爱好之一是蒸汽机械——他后院里放着一个加拿大太平洋铁路的汽笛,他会定期用它惊吓邻居——而韦布提出的方案类似于水下蒸汽机。在蒸汽机中,当水从液体变成蒸汽——正好在华氏212度时——其体积会膨胀1800倍,这种膨胀会驱动活塞转动发动机。产生蒸汽的热量来自燃烧煤炭。

韦布的AUV当然不是烧煤的,实际上也不会使用蒸汽。他设想了一种不同的工作流体,当温度从华氏40度左右升到60度左右时,它会从固体变成液体——这正是机器人从海底一英里深处爬升到水面时会发生的情况。当固体膨胀成液体时,它会被压缩到相邻罐中的氮气。这种压缩氮气会像卷曲的弹簧一样储存能量。当机器人下次在一英里深处并想爬升时,一个阀门的翻转会使氮气展开,并将油推入外部气囊。膨胀的气囊会像对“鲍勃号”那样将机器人浮回水面——只是现在这项工作不再由电池驱动的泵完成。机器人仍然需要一些电池来为关键阀门、其转向机制以及用于通过卫星与人类主人通信的无线电供电。但它将免费获得推进力。

以前从未建造过类似的东西,这一定让斯托梅尔对这个想法赞不绝口。韦布回忆道,当韦布提到环球机器人比赛的可能性时,他开始变得非常兴奋。正是在那时,斯托梅尔建议用约书亚·斯洛库姆的名字来命名这些机器人,也是在那时,他写了那篇刊登在《海洋学》上的小文章。他希望也能让他的同事们对这个想法感到兴奋。与此同时,为了启动这个项目,斯托梅尔说服海军给他一笔为期三年的开发拨款,并分包给韦布。

这笔资金让韦布得以开始解决“斯洛库姆”从设计图纸走向海洋所必须克服的一些障碍。首先,韦布必须找到合适的工作流体。经过长时间翻阅《化学与物理手册》并不断在他的工作室中进行实验,他找到了解决方案:一种纯烃,在低温下形成蜡状固体,非常类似于石蜡。但在精确的华氏50度时,蜡会融化,融化时体积会膨胀10%。韦布计算,这种膨胀足以压缩氮气,并最终将一股液态乙二醇泵入外部气囊,以对抗巨大的深海压力。

广告

充气后的气囊将为90磅重的“斯洛库姆”提供约四盎司的浮力。这对于推进来说并不算多:它只能将这个小机器人推到半节的速度——这个速度如此之慢,以至于引发了一系列全新的问题。一个滑翔机能以如此慢的速度移动并保持稳定吗?它能导航航线并在接到指令时转向吗?它能在没有机翼襟翼和飞机所依赖的其他可动控制面的情况下完成所有这些任务吗?韦布认为,这样的控制面会消耗过多的电池电量;它们会在五年的任务中磨损;而且由于它们必须通过机身的孔连接到电机,它们很容易导致泄漏。“斯洛库姆”将使用固定机翼和尾翼飞行。

在某种程度上,它更像飞艇而不是比空气重的飞机。飞机靠空气冲过机翼的升力保持在空中,而Slocum,像飞艇一样,只是比它下面的流体密度小,所以它会漂浮。为了上升和下降,它会稍微调整浮力——韦布决定,它可以通过对重心进行同样微小的调整来转向。几盎司的液态乙二醇进出外部气囊足以使探测器的头部在上升时向上倾斜,下降时向下倾斜。为了向一侧倾斜,Slocum会旋转它中部携带的D型电池组;由于电池的排列方式,这个动作会使重心稍微移到机器人中心轴的一侧,导致其左翼或右翼倾斜。然而,要使这个系统工作,Slocum每个部件的重量必须精确到几分之一盎司,其位置精确到几分之一英寸。一切都必须如此恰到好处地组合在一起。

韦布知道,有了好主意只是个开始。“我们总有可能遇到一些本质上是终结性的问题,”他在1991年春天说道,那时他仍在与Slocum进行个人思想斗争。“在项目的前半年,我曾担心有一天会发现那个致命的缺陷。现在我认为可能性小得多,尽管我们可能会发现一些严重的妥协——让它比我最初希望的更重,更丑。最大的担忧是,你从一个非常简单的概念开始,然后遇到一个问题,在这里增加一些复杂性,然后又发现另一个问题,在那里增加一些复杂性。在你完成之前,它结果并不是简单的,而是非常复杂、昂贵且难以处理的。”

那是一个紧张的时期,项目的前两年,韦布试图尽可能多地花时间在“斯洛库姆”号上,同时不忽视公司赖以生存的其他浮标。周日早上,他常常会在斯托梅尔家,一边和斯托梅尔的妻子奇基在教堂弹奏管风琴,一边谈论“斯洛库姆”号。工作日里,斯托梅尔有时回家吃午饭时会顺道到韦布的小屋。韦布回忆说:“汉克喜欢穿过马路到我们的工作室,看看有什么新进展——因为那里总有事情发生。如果你像他一样,几乎完全在脑子里工作,看到一些快速的结果有时会很不错。”

广告

最终,结果并没有像两人所希望的那样快速到来。但到1991年秋天,“斯洛库姆”号已经准备好进行首次真正的测试,地点是纽约州北部塞内卡湖——除了公海本身,这是最容易到达的水体,足够深,也足够冷,能让“斯洛库姆”号尽情驰骋。韦布雇来负责“斯洛库姆”号的工程师保罗·西蒙内蒂,此前已在佛罗里达一个浅而清澈的湖中测试过滑翔机,他坐在玻璃底船上观察。现在,他和韦布将首次让“斯洛库姆”号脱离他们的视线。在装载进货车进行旅行之前,韦布把它带到街对面的斯托梅尔家。他把它带进厨房,给奇基·斯托梅尔看这一切都是为了什么。她记得,那是一个快乐而激动人心的日子。

11月在塞内卡湖,西蒙内蒂和他的同事乔什·亨特发现地上有两英尺厚的雪,一艘29英尺长的摩托艇租金便宜。天空阴沉,水面平静,湖上没有船只,西蒙内蒂和亨特第一次将“斯洛库姆”号从船舷放下,看着它慢慢沉入视野之外时,他们都相当自信。在试验水箱中,它对他们的指令反应剧烈。但他们也有一个故障安全机制。西蒙内蒂说:“我们在这东西上投入了大量工作,我们不想失去它。对于这些东西,你永远不知道会发生什么——可能会发生一些完全荒谬的事情。所以我们做的就是,我们在水面上有一个小浮标。在飞行器的尾部,我们有一个鱼线卷轴,它会在没有任何张力的情况下自行放出,我们将另一端连接到浮标上。所以万一它失灵了,我们只需拉起鱼线就能把它找回来。”

广告

从没到那种地步。西蒙内蒂和亨特一次又一次地测试滑翔机,几天后韦布也加入了他们进行更多的测试。他们将Slocum编程为向一个方向前进,然后将其投入水中,使其指向错误的方向,并观察自动驾驶软件如何使滑翔机倾斜并将其带回到预设航线,直到它拖着水面浮标前进。一旦机器人找到该航线,它就会保持在该航线上;它不会随意乱窜。而且它总是会回到水面。

在这些测试中,韦布和他的同事们没有在滑翔机中使用热力发动机;他们使用的是电池驱动的泵。热力发动机已经在塞内卡湖中单独测试过,在一个只做垂直上下浮动的设备中,而且运行良好。工程师们希望在冒着将两种技术结合的风险之前,分别测试每种技术。然而,在11月中旬返回伍兹霍尔的路上,他们知道他们已经准备好将整个系统组装起来。他们现在相信,他们真的能够建造一艘能够横渡海洋的滑翔机。再进行一年左右的开发工作应该就能成功。两个月后,1992年1月,汉克·斯托梅尔入院接受肝癌手术,但再也没有回家。他享年71岁。

如果在一个往往粗鄙喧嚣的社会中,我们学会了爱这个世界,如果我们设法控制了我们的贪婪并学会了给予而不是索取,最重要的是学会了把自己奉献给同胞,那么我们或许会发现如何,带着优雅,将自己奉献给死亡。斯托梅尔在1985年他与癌症的第一次斗争之后,在当地报纸的专栏中写下了这些话。他去世后,该专栏被重新刊登在《海洋世界》杂志的特刊中,同时还有数十位多年来认识他的人的回忆。在一篇又一篇的致敬中,人们提到了他的慷慨、他狂热的精力、他的纵火癖(他是一位烟花表演策划人)和他的机械癖(为了清理池塘里的灌木,他曾从波士顿一家造船厂买了一台烧煤的蒸汽挖掘机)。道格的妻子雪莉·韦布回忆起画家斯托梅尔,他的画作显示出亨利·卢梭的影响,并且以一种喧闹、孩子气的方式出奇地熟练。在他“灾难时期”的一幅画作中,斯托梅尔家附近的一座宏伟老酒店着火了,一名消防员被一头犀牛追赶,其他东非动物则在一旁观望。雪莉·韦布写道:“汉克常常在不合时宜的时候出现在我们厨房门口,带着一本书、一个想法,或者一袋水果或蔬菜……他会坐下来聊天,然后突然消失,可能又有了新的想法。”

道格·韦布没有为《海洋世界》杂志撰稿。关于汉克的去世,他只说:“汉克的去世在个人和专业上都带来了创伤。”然而,韦布的公司自1992年以来蓬勃发展。他的“鲍勃浮标”(ALACE)取得了巨大成功,现在有数百个这种浮标漂浮在世界各地的海洋中。他已经能够将公司从小屋搬到新的总部大楼。现在韦布研究公司的每个人都有了办公室,还有一个设备齐全的会议室。门上的牌匾标明它是“斯托梅尔室”。

但斯托梅尔去世后,斯洛库姆陷入了低谷。1992年夏天,海军没有继续资助这个项目。斯洛库姆只能在有深冷水可供潜入的地方运行,而波斯湾战争和苏联解体后,海军的兴趣转向了浅水海洋学。如果斯托梅尔还在世,海军可能倾向于继续资助他;但斯托梅尔已经不在了。

然而,韦布并没有放弃。他暂停了滑翔机的开发,但让西蒙内蒂继续研究热力发动机,用内部资金支付他的工资。他的希望是,可能会有人对一种只在海洋中垂直上下移动的剖面仪产生科学兴趣——而且借助其热力发动机,能够持续五年。事实证明他是对的。美国国家海洋和大气管理局提供了一笔小额资助,去年十月,第一个原型剖面仪在百慕大附近海域投入使用。截至二月初,它仍在运行,每两天潜入4500英尺深,然后浮回水面,并通过卫星向韦布研究中心发回温度测量数据。显然,韦布的热力发动机在海洋中也能工作,而不仅仅是在塞内卡湖。

广告
广告

与此同时,滑翔机终于摆脱了被迫的冬眠——至少是曾在塞内卡湖测试过的电池动力版本。与热力驱动的“斯洛库姆”号不同,它既能在浅水也能在深水滑翔。海军已经承诺使用吉姆·贝林厄姆的“奥德赛”号,现在决定电动“斯洛库姆”滑翔机可能会成为一个有用的合作伙伴。今年早些时候,海军研究办公室授予韦布一份分包合同,为一项大型实验建造电动滑翔机,该实验计划于今年晚些时候在拉布拉多海开始。拉布拉多海是世界上少数几个深海洋流由冷咸水下沉而形成的地方之一——这是一个零星发生的过程,对地球气候有很大的影响。电动滑翔机将扫过该区域,测量导致水体在狭窄烟囱中下沉的温度和盐度变化。当它们发现有趣的东西时,一艘“奥德赛”号将被派遣进行更详细的调查。

韦布喜欢拉布拉多海实验;他认为它大胆。他钦佩奥德赛号和贝林厄姆对机器人设计的现成方法。在某种狭隘的意义上,贝林厄姆是韦布年轻时的翻版——更年轻,也许更实际一些。一位与他合作过的海洋学家说,韦布是一位热爱为问题寻找新颖而性感解决方案的工程师,意思是不是容易或显而易见的那种性感。韦布只会说他是一位发明家。

拉布拉多海是他的一块垫脚石。他希望,在那里取得的成功,连同他的热力驱动剖面仪的成功,能说服持怀疑态度的海洋学家,他的两个想法最终应该结合起来。在退休之前,他希望看到热力驱动的Slocums在海洋中像海豚一样跃动——追逐涡流,巡航经线,像忠实的哨兵一样巡逻指定的站点。他希望开始这项工作,将个体海洋学家和我们对海洋的认识,从需要一艘船的束缚中解放出来。最重要的是,他想证明他和他的朋友是对的,机器人真的可以横渡海洋,甚至可能环游世界。他说:“我们这里有一个很棒的团队,要找回那样的团队将很难。很多人说Slocum是个很棒的主意——当我们的工作完成后,他们很乐意使用它。需要像汉克这样有影响力的人才能让它继续下去。但我们终将悄悄地实现它。”

保持好奇

加入我们的列表

订阅我们的每周科学更新

查看我们的 隐私政策

订阅杂志

订阅可享封面价高达六折优惠 《发现》杂志。

订阅
广告

1篇免费文章