无人水面车辆使研究海洋变得容易且负担得起

“Pamela”是挪威科技大学 (NTNU) 开发的一种无人水面载具 (USV)，用于对各种地表水颗粒进行采样，从微塑料到浮游生物再到鲑鱼虱。USV 是一个跨学科团队的共同努力——Andrea Faltynkova，博士。生物系的候选人和工程控制论系的博士后 Artur Zolich。

Faltynkova 研究海洋中的微塑料。微塑料是小于 5 毫米的塑料碎片，大约是铅笔末端的大小。虽然研究人员知道微塑料会对海洋或淡水生物产生负面影响，但对于它们如何影响人类健康却知之甚少。但她说，由于物质本身的性质，研究微塑料是一项挑战。

“微塑料是如此的异质。它是一个非常大、多样化的颗粒群。不仅如此，它们的分布也非常不均匀。微塑料不像其他溶解性污染物，即使在少量的水或土壤中也能检测到。如果你去你从海里拿了一升，里面没有塑料，你能断定海里没有塑料吗?” 她问。

“人们乘船出去取样几次，然后试图根据他们捡到的塑料量得出结论。但我们真的不知道这个估计有多好。” 这就是使比机器人真空吸尘器稍大的车辆成为微塑料采样方面特别受欢迎的进步的原因。

简单和速度

Faltynkova 的主要研究项目是调整和开发一种称为高光谱成像的技术，以识别和计数微塑料。高光谱成像是 1980 年代中期开发的一项技术，用于从飞机或太空研究地球。它现在被广泛用于从研究水下沉船到识别不同人体组织类型的所有领域。

回收行业也使用这种类型的成像来分离塑料，使其成为研究微塑料的完美工具。

这种新方法强调简单和速度;Faltynkova 所要做的就是使用高光谱相机为她的样本拍照。其余的工作由她为处理图像而构建的计算机模型完成。NTNU 的 IDUN 计算集群使她能够快速处理大量数据，以确定样本中收集了哪些类型的塑料。

但接下来是从海洋中收集足够样本的问题，这样她就可以对她的发现说出一些有意义的事情。

进入帕梅拉。

将快速分析与快速采样相结合

大多数微塑料采样需要以非常慢的速度在船后面拖网，这既昂贵又耗时。

Faltynkova 使用高光谱相机从她的样本中快速有效地对不同类型的塑料进行分类，这意味着她可以研究大量样本。Pamela 的低成本和独立工作的能力意味着 Faltynkova 可以使用它来快速收集多个样本。

“我正在尝试做的是启用快速分析(使用高光谱成像)，并搭配一种允许快速采样的方法，”她说。“这将真正提高我们有效绘制和监测塑料污染的整体能力。”

帕梅拉(Pamela)被它的两个橙色大花车所鼓舞，就像流行的电视剧《海滩救生队》中的那些，可以在不需要研究人员跟随或监督车辆完成工作的情况下行驶预先编程的路线，Zolich 说，谁发明了机器人。

Faltynkova 和 Zolich 的合作由 NTNU 生物学家 Geir Johnsen 发起，并得到了工程控制论系的 Tor Arne Johansen 的支持。约翰森和约翰森都是自主海洋作业和系统中心 (AMOS) 的关键科学家。

解决问题的创新

“我喜欢构建解决问题的东西，”Zolich 说，他在这个行业工作了几年，然后回到学术界攻读博士学位。然后是博士后。

在这种情况下，要解决的问题是帮助 Faltynkova 进行微塑料采样。

Pamela 围绕现实生活中的用户需求而设计，并根据早期采用者的反馈不断发展。其先进的系统架构尽可能使用经济实惠的消费级商用现货 (COTS) 组件，并为定制零件使用快速原型制作组件。这种组合使机器人使用方便，易于改进。

这是 Pamela 的网可以收集的各种东西的示例。生物材料可以被冲走，留下微塑料，然后可以使用高光谱相机拍照。图片来源：Andrea Faltkynova/NTNU

“这辆车是非常模块化的，”Zolich 说。“它可以在很多方面进行专业化。我设想它会根据研究人员想要采样的内容变得更加专业化。”

该车辆的其他优点之一是它可以独立于船或岸上操作，这意味着没有船尾流影响其收集水样的能力。前往偏远地区的研究人员可以轻松使用 Pamela。它适合托运行李，它的电池可以带上飞机，因此研究人员不必担心提前运送采样器。

该机器人的开发获得了 NTNU 技术转让办公室 200 000 挪威克朗的发现创新资助。在过去的 6 个月里，Zolich 和 Faltynkova 与 TTO 的一个团队合作，调查了 USV 的市场潜力、知识产权问题、机器人设计和未来的商业战略。

多样化的应用和国际兴趣

当 Faltynkova 的海洋生物学同事看到 Pamela 时，他们立即开始询问它是否可以适应他们的工作。她使用机器人车辆拖曳一种生物学家常用的网，称为浮游生物网，以收集地表水样本中的微塑料。

“只是通过与同事的交谈，他们就像，'嘿，我也使用浮游生物网。我可以用它来测量鲑鱼虱吗?我可以用它来取样浮游植物吗?我可以用它来测量浮游动物吗?' 这是我们没有真正预料到的事情之一，”她说。

该机器人已在第 9 届挪威环境毒理学研讨会和希腊雅典的微塑料研究人员研讨会上正式向更广泛的观众展示。国际组织也联系了研究人员，包括荷兰非政府组织海洋清理和加利福尼亚州水资源委员会。

作为 NTNU 和挪威自然研究所的研究人员进行的一项更大规模研究的一部分，Pamela 目前正在接受鲑鱼虱子样本的测试。研究人员，包括 Bengt Finstad 教授和博士。候选人 Nathan Mertz 开发了一种被动采样器来观察鲑鱼虱幼虫的浓度——这是它们传播最广泛的阶段。Zolich 改变了 Pamela 上采样网的位置，以便它也可以采样鲑鱼虱子。它现在正在与被动采样器一起进行测试。

Zolich 说：“我们看到我们的机器人可以通过更多的样本大大降低实地取样成本并提高研究质量。” “我们对扩大我们的合作网络非常开放，并正在积极寻找愿意在他们的工作中试用我们的机器人的研究人员和机构。”