在绘制新领域的地图方面，NASA的记录远远超过刘易斯和克拉克。美国宇航局不仅绘制其他恒星和行星的地图，而且从太空中获得的有利位置也可以很好地观察地球。现在，美国宇航局最近的一项发明可以让机器人绘制地球整个海底的地图，帮助解锁宝贵的资源，同时保护海洋栖息地。虽然用于此类行动的水下声纳设备并不新鲜，但它们一直受到电池的严重阻碍，电池会使它们在水中失去电。
位于加州维斯塔的Seatrec公司基于美国宇航局南加州喷气推进实验室开发的技术，获得了加州理工学院的许可，现在为海底机器人提供了第一个完全由环境驱动的能源，使设备能够在开放的海洋中无限期地工作，而不需要任何干预。
在获得海洋科学博士学位后，易超在喷气推进实验室找到了一份工作，致力于海洋研究。他的选择似乎有悖常理，但美国宇航局已经把对地球的研究——包括它的海洋和冰盖——作为首要任务，发射了数十颗卫星，发射了数百个传感器来测量海平面、温度、盐度等。
赵小兰说:“我在喷气推进实验室工作了大约15年，从太空研究海洋。”他的职业生涯亮点包括作为测量海水盐度的水瓶座卫星任务的项目科学家。这次任务的一个挑战是将卫星的仪器与赵和他的团队在海洋中分配的传感器直接测量的盐含量进行校准。虽然卫星每天毫不费力地绕地球多次收集数据，但对于乘船穿越的研究人员来说，这些海洋距离仍然非常遥远。
“我们出海了30天，”他说。“我们部署了——我们要求我们大学的同事部署——各种机器人平台，在大西洋中部收集数据，不仅在海面附近，而且在海面以下，这样我们就可以校准和解释我们从太空测量到的数据。”
这段经历让他明白，要进入世界上许多公海仍然有多么困难，这些海域距离最近的主要港口可能有一周多的距离，也让他了解了监测那里情况的机器人。他了解到，它们最大的限制因素是能量，特别是对于水下传感器来说，它不能依赖水面上的太阳、风和海浪等可再生能源。目前，所有的水下机器人都是由电池驱动的，当电池耗尽时，主人可以让传感器成为污染物，也可以在船上给电池充电。在公海上，这艘船每天的成本约为5万美元，并燃烧数吨柴油。
“我真的有机会了解水下机器人的挑战，尤其是能源，并解决了我想要解决的这个特殊瓶颈，”Chao说。
他招募了两名喷气推进实验室的同事，他们着手为海底机器人制造一种不同的电源。
为了发电，他们选择了相变材料，即在特定的理想温度下在固体和液体之间转换的物质。美国国家航空航天局经常使用相变材料来降低太空中的极端温度，但Chao的团队希望通过利用伴随相变变化的体积变化来发电。除水和金属外，大多数物质熔化时膨胀，冻结时收缩。
Chao说:“我们利用体积膨胀产生的动能来旋转马达，然后将机械能转化为电能，现在你就可以给电池充电了。”这是一个古老的概念，基本上是蒸汽机的工作方式，利用水膨胀成蒸汽来转动马达。但是从固体到液体的转变只产生了大约10%的膨胀。因此，挑战在于如何最大限度地利用它产生的少量能量。
赵又廷说:“所以每个部件都必须超级高效。”“这就是为什么人们尝试过这种方法，却认为转化的能量不够。我们是第一个从头到尾完成整个过程并挑选效率最高的组件的公司，最终我们可以为水下机器人产生足够的能量。”
机器人仅仅通过在海洋中上升和下降来改变材料的温度，它们通常无论如何都要这样做，通过GPS确定它们的位置，并将它们收集到的数据传输给卫星。研究小组选择了一种常见的工业级石蜡族材料，熔点约为50华氏度，介于典型的深海温度约40华氏度和表面温度约70华氏度之间。但根据环境的不同，这种材料可以换成熔点更高或更低的材料。
在喷气推进实验室，该团队于2011年建造并展示了一个原型浮子，随后又制造了一个水下滑翔机，该滑翔机的工作原理相同，但也可以水平移动。在接下来的几年里，赵小兰致力于从管理喷气推进实验室的加州理工学院获得这项发明的独家授权，并创立了Seatrec。
占领地球最后的边界
该公司目前正在向研究实验室、大学、政府研究人员和军方销售其首款潜水浮标电源模块SL1。但曹国伟设想，在不久的将来会有一个更大的市场，首先要努力绘制目前尚未绘制的80%的海底地图。他说，军方对海底测绘很感兴趣，尤其是对潜艇导航，但钻探石油和天然气或建造海上风力发电场的公司，铺设跨洋互联网电缆的通信公司，以及想要更多了解海洋栖息地位置的环境保护组织，也对海底测绘感兴趣。
Chao说，用船测绘所有海底将花费数十亿美元，需要数百艘巨型的全球级船只，并指出实际上只有十几艘这样的船只可用于这项工作。从海面绘制海底地图也需要高功率声纳来切断上层海洋的噪音，而浮子可以下潜到500米或更深的地方绘制海底地图，所需的能量要少得多，对海洋野生动物的干扰也小得多。
Chao说:“因此，我们首次能够从海底平台绘制海底地图。”
其他市场包括管理海上作业的公司，从油井、风力涡轮机到养鱼场，都需要水下传感器来监测条件和设备。任何在海底铺设电缆或开采稀土元素的人都需要评估当地的环境和野生动物。
天气和气候研究将是另一个重要的应用，特别是改进飓风预测，其准确性和及时性可以挽救生命和财产。Chao说，30或50米深的水温最终会为热带风暴提供燃料或饥饿，但这并不是实时监测的，因为目前的水下传感器每10天左右才浮出水面，以节省电池。
“许多飓风预报员和海洋学家认为，这是我们需要提高风暴强度预测准确性的最后一个缺失的信息，”他指出。
他说，该公司正在进行一个项目，为浮子配备水下麦克风，以量化海洋中的声音。这将有助于货船避免鲸鱼袭击，同时也是保护组织和海军的兴趣所在。
“一旦你在水下有了能源，你就可以考虑各种各样的用例，”Chao说。他说，总共有大约4000个机器人传感器漂浮在世界各地的海洋中，其中每年有1000个由于电池耗尽而失效。他说，有了SL1电源，它们不仅可以无限期地运行，而且可以更频繁地传输数据，因为表面产生的能量比消耗的能量要多。
Seatrec计划将一种系统商业化，该系统将使用同样的固液相变技术为水下滑翔机提供动力。在未来，该公司希望开发一种发电站，可以通过海洋深处循环液体到气体的相变材料，产生一个数量级的能量，可以为海上更多耗电的机器人充电。Seatrec公司还获得了美国海军的拨款，将在北极冰层上部署一座发电站，利用冰层上方水温和冷空气之间的差异。
Chao说，随着公司不断完善这项技术，它可以应用于各种温度范围和应用。“任何有温差的地方，我们都可以将其转化为电能。”
NASA提供
引用新能源为海底机器人提供无限动力(2024,6月4日
作品受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。的有限公司
内容仅供参考之用。
