施密特海洋研究所的SuBastian号4500米级ROV采样系统大揭秘

施密特海洋研究所及SuBastain号ROV简介

3 P5 H1 \+ q- N( m; C

施密特海洋研究所是一所私有的公益海洋研究调查组织，这个组织的名称也是来自于他们的所有人史密斯夫妇，不，施密特夫妇。施密特夫妇专门做基金会、慈善投资。值得注意的是，这个组织的固定员工只有Falkor调查船的船员、工程师等，做marketing的宣传员工，所有的科学家都是来自全球不同国家区域的行业专家，他们可以运用这个研究所最新的海洋设备技术进行公益调查，只要同意将科研过程和部分成果分享在社交网络上即可，旨在让公众更深度地了解海洋知识科学。
该组织拥有一艘海洋调查船R/V Falkor号，在2015年开始设计研发一台4500米级的深水ROV系统，命名为SuBastian号，笔者也把它误拼写成过姓名的Sebastian，其实这个名称的由来是德国的童话书《The Neverending Story》主角名Bastian，加上Subsea的词头Su。最终于2016年夏天将系统集成到Falkor号调查船上，到2021年底这套ROV已经累计进行了791次下潜任务。有些好奇的读者也许要问了，这么个公益组织又没有国家批的预算，怎么买设备呢？事实上除了调查船和ROV来自基金会（施密特夫妇的个人能力），该组织非常欢迎研究机构或设备制造商洽谈合作，虽然要付出点代价（样机），但可以得到大量曝光。所以通常在它的航次新闻中，往往能够看到最新技术的身影，也有比较可靠的实测数据，最终实现双赢。除此之外，这个机构也欢迎学生申请跟随航次学习，算是高级版的“夏令营”了，虽然看不到具体细节，但笔者猜应该要花不少。还有Artist-at-Sea Program（海上艺术家项目），大概内容是，欢迎画家摄影家受点深海科学启发，毕竟不是啥时候都有这种机会的哈，估计也是要交点船费才能来的。

回归正题，从前面的背景介绍可知，因为ROV拥有者的组织性质以及他们自带的宣传任务，每次ROV下潜都会有直播讲解，所有的操作过程和数据都展示在公众面前（欢迎好奇的读者去学习下，毕竟时长长达12小时的深海ROV科考视频不是哪里都能看到的）。所以ROV上集成的即使不是全球最顶端的设备，也肯定是最新且具有执行力的设备。

ROV本身的参数和集成传感器信息官网即可查询，但采样系统却几乎根据每次任务性质有所改动，几乎没有固定项目，笔者也花费了不少时间，搜罗了部分论文，整理了部分它的采样系统情况，肯定没有覆盖所有，在此希望能给我们的同行及研究机构一些灵感。

& i2 q- Z! L+ U) L: W( }5 q
: Y3 _( K$ c6 ]: r  r* _

SuBastian号可检索到的使用的取样工具

常规取样工具
5 C4 U& K3 U( U% q; m7 }

实际作业中，ROV常依赖机械手抓取工具进行作业，根据网络上可查到的资料，施密特海洋研究所使用过的常规取样工具有如下几种：

% b& S3 p4 a. ?. ]: p9 M; r3 C图1
4 L/ k# F  \( U- }

抽吸式取样工具

抽吸式采样器是抽吸泵，末端带有一个喷嘴，用于对软体动物群进行采样。泵的管子通常是柔性的，而喷嘴是空心环或较硬材料的管子；喷嘴通常比管子窄，这样它可作为待吸样品的允许尺寸的参考，这可以避免意外的管子堵塞，使采样器无法在其余的下潜任务中使用。抽吸式采样器喷嘴在喷嘴和管之间有一个可拆卸的滤网。插入此滤网后，可以仅将样品吸在喷嘴中，直到关闭吸力将其释放；当没有插入滤网时，样品会直接从试管中吸到广口瓶中。
图2、3
5 O2 n# `& i' n5 ^% a, G2 j

勺状取样工具

勺状取样工具（图2）通常用于收集基质及其包含的微生物群，而后将样品倒入存储容器中。勺网（图3）是一种特殊类型的勺状取样工具，它配备一个样品袋，袋子的边缘连接到手柄的刚性框架上。如果使用勺网，则无需倾倒，因为袋子也是储存样品的容器。

图4

取芯器

取芯器同样用于收集沉积物以及沉积物中可能包含的生物群，使用它进行取样可以保持沉积分层。使用时将一根管子压在海底，然后轻轻地收回。取样完成后可将取芯器插入箭袋或 ROV样品架内。

图5

生物陷阱

生物陷阱是部署在海中的工具，可以捕捉目标生物，然后再一段时间后回收。它可以由机械手置于海底，使用可释放的锚定系统连接，方便回收，但需要注意整个陷阱的尺寸应适合 ROV 上的存储容器。图6
% }/ l2 Y3 Y. R8 |. X- A, e

Niskin采水瓶

它基于注射器原理，可采集水样，瓶子有两个阀门可以用于水的注入，作业中会保持阀门打开直到采样点。采水瓶可以用机械手携带到特定采样点采集，也可以直接安装到ROV的架子上。当安装在架子上时，瓶子可以自动关闭，或使用机械手拉动连接到阀门上的绳索关闭。

; f4 b0 z7 b+ r. \; }

常规样品存储工具
9 B/ a& d! |7 y8 B

图1

常规生物样品箱

它会将样品保持在海水环境里，但不能控制温度、光照压力等。每个格子会进行编号以便进行后续的样品分类处理。

图2

集成在ROV上的抽屉式作业底盘

有些样品比较大，便只能储存在这样的抽屉里。这样的底盘上还会划分出生物样品箱、取芯器箭袋、生物陷阱等区域，每次的布置可能会根据航次需求不同进行模块化配置。

以上两种算是较为常规的样品储存工具。这里重点介绍下图3的吸入式多舱生物取样器。

图3

吸入式多舱生物取样器

大多数工作级ROV均采用特殊设计定制的多舱生物取样器，而SuBastian号有些不同，它采用的是一套商业化的货架产品吸入式取样器，为加拿大Cellula公司的产品，目前该产品除了在Subastian号ROV上应用外，      K-Offshore和OceanX也采用了这套成熟系统。制造商也将设计图纸放在了网站上。如下图。
8 [+ _6 c- ^8 W

这套吸入式取样器整体结构并不复杂，核心部分为一套槽轮机构马达，配备了8个2L的采样瓶，可以将海水和其中的生物样品吸入到采样瓶中，采样瓶可根据任务需求配备不同大小的滤网。当采样完成后，液压槽轮机构会将样品瓶旋转到水流以外的区域，并密封起来以便进行后续的分析工作。这套系统仅需要ROV的两个液压泵提供动力，无需配置电气接口。

; r4 E* T0 W1 \* {) `# s# }

非常规的生物抓手工具
$ O+ Y- u/ t+ x6 a: p
* L: H  Y2 H9 X2 b8 v在此篇文章中，笔者就不多介绍机械手常规抓手了，毕竟一般在购买ROV时都会有配套抓手配置，在此仅介绍两个非常规造型的生物抓手。2021年的航次中施密特海洋研究所在Subastian号ROV上集成了一款名为RAD（旋转驱动十二面体）的抓手，它可以集成在机械臂上。

这款抓手也算是去年的一个热门IP，很多人都看到过它取抓捕一只水母的照片。

它是哈佛大学的Wyss Institute的研究人员设计的，一共有五个3D打印叶片连接到旋转轴体上，旋转的过程中即可闭合抓手，形成一个十二面体造型的盒子可捕捉水母章鱼这类软体动物，并避免抓捕过程中的伤害。并且整体机械结构非常简单，在深海环境中可避免损坏。发明者也计划将此设计用于太空和医学领域。

下面的视频可以看到作业中的RAD抓手

(点击查看视频)

除此之外，Wyss Institute的研究人员还设计了一款水母抓手，采用了仿生学的设计，如手指一般可以抓在水母上。它包含六根扁平硅胶条构成的“指头”，内部有一个中空通道，与一层柔韧但更硬的聚合物纳米纤维粘合在一起。“指头”们连接到一个矩形的3D打印塑料“手掌”上。当通道内有水注入时，它们会向纳米纤维涂层一侧的方向卷曲，每个手指可施加极低的压力，约0.0455 kPa。相比之下，目前最先进的软质海洋抓手（用于捕捉比水母更脆弱但更强壮的动物）的压力约为 1 kPA。

视频看看这款超软海洋抓手
- @5 E# \$ A' K- x

(点击查看视频)

' {  }9 a: @" H2 ]! L
% s& b* Z( {  i7 p( p2 v
9 N' V$ \$ h3 j  F/ t1 y/ n5 k

小结

1 x/ w/ e4 Y  i

除了文章里提到的采样系统外，SuBastian号上还搭载过很多MBARI研究所开发的定制型工具，因文章篇幅有限以及资料受限，在此就不过多介绍了。

随着我国海洋调查走向深海，以及各种深海潜器的引入共享，相信对于科研机构、大学和海洋调查设备同行来说，如何更高效地利用现有技术进行不同应用领域调查是个恒久的命题。笔者也会继续关注国际上的黑科技，也希望有更多的“施密特海洋研究所”出现，将海洋应用科学以及研究科学带到公众面前。

3 b) s5 d; K& o: x. |! L