在2022年的現場測試中，遠端攝影機捕捉到了部署在密西根州上半島蘇必略湖冰凍表面下的IceNode原型。機器人「起落架」的三條細腿將原型機固定在冰冷的天花板上。來源:美國國家航空暨太空總署/姓名
在冰冷的波弗特海，美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室的工程師們測試了IceNode，這是一個原型機器人，旨在測量南極洲冰架下的融化速度——這是全球海平面預測的關鍵因素。
最終目標是部署一支由這些自主機器人組成的艦隊，利用最初為太空探索而設計的創新技術，從世界上最難以到達的地區獲取關鍵數據。這項計劃的成功可能會徹底改變我們對氣候變遷導致的海平面上升的理解。
在阿拉斯加北部被風吹拂的波弗特海(Beaufort Sea)的一個偏遠地區，來自美國國家航空暨太空總署(NASA)南加州噴射推進實驗室(JPL)的工程師們擠在一起，凝視著厚厚的海冰中的一個狹窄洞。在他們下面，一個圓柱形的機器人在寒冷的海洋中收集測試科學數據，它透過一根繩子連線到將其送入鉆孔的三腳架上。
這次測試讓工程師們有機會在北極操作他們的原型機器人。這也是他們名為IceNode的計畫的最終願景的一步:一個自主機器人車隊將在南極冰架下冒險，幫助科學家計算冰凍的大陸失去冰的速度，以及融化會導致全球海平面上升的速度。
溫暖的海水，危險的地形
如果完全融化，南極洲的冰蓋將使全球海平面上升約200英尺(60公尺)。它的命運代表了海平面上升預測中最大的不確定性之一。就像變暖的空氣溫度導致表面融化一樣，當冰接觸到下面迴圈的溫暖海水時也會融化。為了改進預測海平面上升的電腦模型，科學家們需要更精確的融化速度，特別是在冰架下面——從陸地延伸出來的幾英裏長的浮冰板。雖然它們不會直接增加海平面上升，但冰架至關重要地減緩了冰蓋流向海洋的速度。
挑戰:科學家們想要測量融化的地方是地球上最難以到達的地方。具體來說，科學家們想要瞄準被稱為「接地區」的水下區域，即漂浮的冰架、海洋和陸地交匯的地方，並深入觀察尚未繪制的洞穴，那裏的冰可能融化得最快。上面變幻莫測的地貌對人類來說是危險的，衛星無法看到這些洞穴，它們有時在一英裏厚的冰下。IceNode就是為了解決這個問題而設計的。
「多年來，我們一直在思考如何克服這些技術和後勤方面的挑戰，我們認為我們已經找到了一種方法，」噴射推進實驗室的氣候科學家、IceNode的科學負責人伊恩·芬蒂(Ian Fenty)說。「我們的目標是直接從冰架下面的冰-海融化界面獲取數據。」
創新機器人設計
利用他們在設計太空探索機器人方面的專業知識，IceNode的工程師們正在開發長約8英尺(2.4公尺)、直徑約10英寸(25厘米)的飛行器，它有三條腿的「起落架」，從一端彈起，將機器人固定在冰層的底部。這些機器人沒有任何形式的推進;相反，它們將在利用洋流模型資訊的新型軟體的幫助下自主定位。
業務策略和數據收集
這些機器人從鉆孔或公海上的船只上釋放出來，將借助這些水流在冰架下進行長途旅行。到達目標後，每個機器人都會放下壓艙物，把自己固定在冰的底部。他們的傳感器將測量溫暖的、含鹽的海水向上迴圈融化冰的速度，以及寒冷的、新鮮的融水下沈的速度。
IceNode船隊將執行長達一年，持續捕獲數據，包括季節性波動。然後，機器人將自己從冰面上分離出來，漂回開闊的海洋，並透過衛星傳輸數據。
「這些機器人是一個平台，可以把科學儀器帶到地球上最難到達的地方，」噴射推進實驗室的機器人工程師、IceNode的首席研究員保羅·格利克(Paul Glick)說。「這是一種安全、相對低成本的解決難題的方法。」
北極野外試驗
雖然IceNode還需要進一步的開發和測試，但到目前為止，這項工作是有希望的。在之前在加州蒙特利灣和蘇必略湖冰凍的冬季表面下部署之後，2024年3月的波弗特海之旅提供了第一次極地測試。零下50華氏度(零下45攝氏度)的氣溫對人類和機器人的硬體都構成了挑戰。
這項測試是透過美國海軍北極潛艇實驗室兩年一次的冰營進行的，這是一個為期三周的行動，為研究人員提供了一個臨時大本營，在北極環境中進行實地調查。
當原型機下降到大約330英尺(100公尺)深的海洋中時，它的儀器收集了鹽度、溫度和流量數據。該團隊還進行了測試，以確定未來將機器人從系繩上取下所需的調整。
「我們對這一進展感到高興。我們希望繼續開發原型，讓它們回到北極，在海冰下進行未來的測試，最終看到整個船隊部署在南極冰架下，」格利克說。「這是科學家需要的寶貴數據。任何讓我們更接近這個目標的事情都是令人興奮的。」
