Как автономные роботы меняют полярную науку в Арктике и Антарктике
Британская антарктическая служба заявляет: автономные роботы «меняют полярную науку». Подо льдами Антарктики ползёт робот, другой прикручен к стене тающего ледника в Гренландии, третий молча считает пингвинов на пустынном пляже. Рядом - ни одного человека.
В Арктике и Антарктике автономные машины перекраивают то, как учёные изучают самые недоступные и враждебные уголки планеты. Они работают под водой, на поверхности океана и в воздухе, собирая данные неделями и месяцами. Часто там, куда человеку не добраться: слишком опасно, слишком дорого или просто невозможно.
Техника, которая работает без людей
Вот Autosub Long Range, он же Boaty McBoatface, на палубе судна RRS Sir David Attenborough. А это профессор Эрин Петтит с платформой Meltstake на борту того же корабля. И система «дрон-в-боксе», развёрнутая на острове Сигни.
Массовое внедрение автономных аппаратов позволяет следить за ледниками, океанами, дикой природой и климатическими процессами в масштабах, о которых десять лет назад нельзя было и мечтать.
Доктор Алекс Брирли, океанограф из Британской антарктической службы (BAS), работает с этой техникой напрямую. «Это потрясающе: сижу в Кембридже, достаю телефон и отправляю команды планеру, который работает за тысячи километров, в Антарктике».
Подводные глайдеры и внутренние цунами
Брирли управляет несколькими подводными глайдерами в заливе Райдер, у станции Ротера на Антарктическом полуострове. Никаких двигателей и винтов. Торпедообразные аппараты меняют плавучесть и медленно скользят в толще воды, периодически всплывая, чтобы получить GPS-координаты, передать данные и принять новые команды. Грамотное управление энергией позволяет им оставаться в море месяцами.
Глайдеры следят за тем, как айсберги, откалываясь от ледников, порождают мощные волны. Эти волны перемешивают тепло и питательные вещества по всей толще воды, а заодно уносят углерод на глубину. Явление назвали «внутренними цунами», и впервые его заметили с исследовательского судна. Теперь автономные аппараты дают куда более долгие и детальные наблюдения.
«Глайдеры подключаются позже, чтобы наблюдать те же процессы, но с гораздо более высоким разрешением, - говорит Брирли. - Смысл часто в том, чтобы обеспечить длительность миссий, на которую корабль не способен без огромных затрат».
Роботы добираются туда, куда человеку нельзя
Почему автономные системы так распространились? Одна из причин - они работают там, где для людей слишком высок риск. Хороший пример - проект BAS под названием GIANT (Greenland Ice sheet to AtlaNtic Tipping points). Он изучает, как тёплая океанская вода плавит ледники Гренландии. В проекте задействованы девять автономных систем, включая жёлтую подводную лодку Boaty McBoatface.
Но самая необычная - Meltstake. Это автоматическая научная платформа, которая прикручивается прямо к стене ледника. Её доставляет автономный катер, позиционирует дистанционно управляемый подводный аппарат, и вот Meltstake ввинчивается в ледяную стену на глубине 100-200 метров ниже ватерлинии. По мере таяния льда платформа постепенно продвигается вперёд.
На ней камеры, гидрофоны и акустические приборы. Она непрерывно измеряет взаимодействие океанской воды и льда с позиции, где не может находиться ни один учёный. Система помогает понять, почему существующие климатические модели, похоже, занижают скорость таяния ледников.
Профессор Эрин Петтит из Университета штата Орегон считает, что сам ледник играет более активную роль, чем думали раньше. «Он набит крошечными пузырьками под давлением. Они шипят и лопаются, когда попадают в воду. Когда пузырьки вырываются наружу, они возмущают пограничный слой жидкости, - объясняет Петтит. - Возникает хаотичное перемешивание, которое порождает дополнительную энергию, и та, в свою очередь, ускоряет таяние льда».
Наблюдение за птицами за тысячи километров
Автономные летательные аппараты меняют и мониторинг дикой природы. На острове Сигни, в Южных Оркнейских островах, биолог BAS доктор Норман Рэтклифф развернул «дрон в коробке». Аппарат постоянно находится в Антарктике. Живёт он в защитной док-станции, где заряжается между вылетами, а затем выполняет заранее запрограммированные облёты колоний пингвинов.
Учёные из Кембриджа могут дистанционно планировать полёты круглый год. Это позволяет следить за размножением птиц даже тогда, когда на острове нет исследователей. «Если мы можем безопасно управлять техникой из Кембриджа, то получаем возможность проводить съёмку почти в любое время года, независимо от того, сколько людей осталось на станции», - говорит Рэтклифф. «Для повторяющихся задач это невероятно эффективный способ, особенно когда не хватает рук или обученных пилотов».
Со временем система может охватить и более отдалённые колонии пингвинов, которые не обследовались детально десятилетиями. Похожие долгосрочные наблюдения в море ведут автономные надводные суда. Биологический океанограф Британской антарктической службы (BAS) доктор Софи Филдинг использует двухметровый Sailbuoy для мониторинга криля у Южной Георгии. Судёнышко работает на ветре и солнце, несёт эхолот, способный засечь криль на глубине в сотни метров, и передаёт данные через спутник. В отличие от исследовательских кораблей, Sailbuoy может оставаться в море месяцами, почти не выбрасывая углекислого газа. «Для таких простых платформ, как Sailbuoy, логично запускать целые рои - рой буёв, преследующий рой криля», - замечает Филдинг.
Маленькие дроны, большие открытия
Беспилотники с неподвижным крылом тоже стали важным инструментом полярных учёных. Лёгкий дрон eBee X помещается в рюкзак, запускается с руки и выполняет полностью автономные полёты до 90 минут. У Южной Георгии исследователям BAS разрешили водить его за пределами прямой видимости - так можно обследовать колонии животных на удалённых побережьях.
Натан Фенни, глава отдела геоматики BAS, говорит, что такой подход резко расширяет изучаемую территорию. «Раньше малые дроны летали в пределах так называемой прямой видимости (VLOS), то есть не дальше примерно 500 метров от пилота, - поясняет Фенни. - А с режимом "за пределами видимости" (BVLOS) на платформах вроде eBee X мы охватываем значительно большие площади - километры, - и добираемся до целей, куда по суше не подойти. Так что нам доступны и крупнейшие, и самые удалённые колонии Южной Георгии».
Полученные снимки позволили разработать новые методы подсчёта животных - по трёхмерным моделям местности, а не по отдельным фотографиям. Эти съёмки подтвердили, что одна из крупнейших колоний королевских пингвинов на Южной Георгии разрослась до 132 тысяч гнездящихся пар. Заодно они вскрыли серьёзное сокращение численности южных морских слонов после вспышек птичьего гриппа.
Крупные дроны заменяют самолёты
Более крупные автономные аппараты меняют и антарктическую геологию. Беспилотник Windracers ULTRA с размахом крыла 10 метров берёт на борт до 60 килограммов груза и пролетает без пилота почти 1 000 километров. Для геолога BAS доктора Тома Джордана это значит, что геологические съёмки, раньше требовавшие пилотируемой авиации, всё чаще можно проводить автономно.
Дрон несёт радары, магнитометры и гравиметры, чтобы изучать горные породы, скрытые под ледяным щитом Антарктиды. «Годы напролёт приборы были слишком тяжёлыми, а дроны - слишком маленькими. Теперь линии пересеклись: датчики полегчали, а беспилотники стали достаточно мощными, чтобы всерьёз использовать их в антарктической науке», - объясняет Джордан. «Переведя съёмку на дроны, мы получаем ту же науку при куда меньших затратах топлива и логистики. Раньше на большой самолёт уходило 200 бочек горючего, а Windracer обходится двадцатью. К тому же дрон освобождает наши Twin Otter для других задач - поддержки полевых групп или съёмки с более крупными сенсорами, так что все ресурсы работают с максимальной пользой».
Роботы помогают, а не заменяют учёных
Несмотря на бурный рост автономных систем, исследователи BAS не ждут, что роботы вытеснят людей. Скорее они заполняют нишу между спутниками, следящими за Землёй из космоса, и учёными, работающими прямо в поле.
Профессор Петра Хайль, директор по науке Британской антарктической службы, считает, что искусственный интеллект будет играть всё более важную роль в координации этих разнородных источников данных. «ИИ может показать нам, где наша наука слепа. Он способен свести воедино спутниковые снимки, модели и прошлые измерения, чтобы подсветить самые неопределённые зоны. Без ИИ не обойтись: он управляет данными, подсказывает, куда отправлять платформы, и постоянно корректирует миссии по мере того, как меняются и среда, и технологии».
И всё же есть задачи, которые роботам пока не под силу. Как замечает Рэтклифф: «Я не знаю ни одного дрона, который смог бы поймать пингвина, взвесить его и надеть метку. Или собрать их помёт, чтобы понять, чем они питаются».
Главное фото: спуск подводного глайдера Slocum у ледника Шелдон в Антарктиде (кредит: Athena Dinar).
Теги: автономные роботы, полярные исследования, Арктика, Антарктика, подводные глайдеры, дроны, Boaty McBoatface
