在“基洛·莫阿纳”号研究船上，气氛紧张得令人窒息。
五支队伍紧张地盯着海面，看着带有采样瓶的采样器（rosette）缓缓地从深海中升起。这种海洋学设备装载着高高的灰色水样瓶，并且五台实验性 pH 计被紧紧地绑在框架上。价值数百万美元的奖金岌岌可危，而这些参赛队伍，他们为“温迪·施密特海洋大奖赛”（Wendy Schmidt Ocean XPrize）的参赛项目已投入一年的时间，此刻正焦虑地等待着，看看他们的设备是否能经受住下潜 10,000 英尺进入漆黑深海的考验。
海洋酸化——全球变暖鲜为人知的表亲——是气候变化对海洋环境构成最大威胁的因素之一。当二氧化碳溶解在海水中时，海水会变得更酸，从而给珊瑚等重要物种带来压力，甚至杀死它们。第二届海洋大奖赛旨在引起人们对这一严峻问题的关注，并激励技术创新，帮助科学家记录和理解我们海洋化学的变化：奖金 200 万美元，奖励给有史以来最准确、最高效、最用户友好的海洋 pH 计。
在实验室里测量 pH 值很容易，台式电极可以轻松校准并储存在理想条件下以防损坏。但充满腐蚀性的海洋是不可预测的，并且充满了会附着并侵蚀任何进入其领地的生物。此外，海洋非常深邃——一个好的设备不仅要在海面有用，而且在潜水器探索最黑暗的深度时，还必须能提供数据。科学家们需要一种既坚固又准确且价格合理的 pH 计。
200 万美元的奖金分为两个部分。对于 100 万美元的性能奖，准确性、精度和稳定性是最重要的品质；另一半奖金将颁发给在可负担性和易用性方面得分最高的团队。“如果有一种设备可以做到这一切，它就会脱颖而出，”温迪·施密特海洋大奖赛高级总监 Paul Bunje 说。“如果你能做到这一切，你就能赢得全部 200 万美元。”
本周一，获奖者将在纽约市举行的温迪·施密特海洋大奖赛颁奖晚宴上宣布。活动还将举行一场关于海洋健康未来的小组讨论，特邀嘉宾包括美国国家海洋和大气管理局首席科学家 Richard Spinrad 和 Ocean Leadership 首席执行官 Sherri Goodman。在此之前，各参赛队伍都在密切关注。
关注奖项
最初有 77 支队伍瞄准了这个奖项，但只有 26 支队伍能够及时准备好原型。去年 9 月，其中的 18 支队伍通过了初赛，并在蒙特雷湾水族馆研究所接受了比赛的第一次真正考验：准确性和稳定性。“我们有一个非常、非常精确的实验室设置，”技术运营总监 Jyotika Virmani 解释道。Virmani 负责监督比赛各轮的场地安排以及科学验证团队。在实验室条件下进行两个月后，14 支队伍前往西雅图，在那里他们接受了在不断变化的沿海条件下的测试。除了性能，每支队伍还在可负担性和易用性方面接受了评判。“因为我们希望制造出人们可以使用的传感器，”Virmani 重申道。“这样就可以将其推广给管理者，甚至公众和学校。”
五支决赛传感器在“基洛·莫阿纳”号研究船上接受了最后一次测试，该船由美国海军所有，由夏威夷大学海洋中心运营。各队伍在阿尔霍阿站（Station ALOHA）度过了一周时间，这是一个位于瓦胡岛以北约 100 英里的、经过充分研究的 110 平方英里海域。传感器在开阔水域条件下接受了严格测试，包括其从 0 到 3,000 米深度生成完整 pH 剖面的能力。
获胜的关键
评委们正在根据准确性等标准，将五个传感器的结果与参考数据进行比较——正如 Bunje 指出的那样，生成这些数据并非易事。XPRIZE 汇集了世界上最顶尖的 pH 科学家，由美国国家海洋和大气管理局太平洋海洋环境实验室（位于西雅图）高级科学家 Richard Feeley 领导。“我们不得不把实验室带过去，”Bunje 说，“一个 20 英尺的集装箱，里面有一个实验室和价值数十万美元的设备。”
有些传感器使用的是与 Feeley 验证团队技术非常相似的技术，但其他传感器则完全不同。“我不知道我们会看到多少不同的技术，”评委之一的 Chris Kellogg 说。她对方法的多样性以及团队的多样性印象深刻。“有一个来自加州的高中生团队，”她说。“他们从一无所知海洋 pH 值是什么，更不用说如何测量它，到构建一个传感器并使其正常工作并收集到一些非常棒的数据，这个学习曲线简直是疯狂的。”
尽管那些青少年没有进入决赛阶段，但五支决赛队伍代表了五种完全不同的 pH 测量技术方法。他们来自挪威、日本、英国和美国。他们在这个项目中投入了令人印象深刻的时间和金钱。“当你开始计算所有这些团队在生产他们的创新中所投入的成本时，我们在每个 XPrize 项目上都发现，团队的投入是奖金价值的十倍。也就是说，团队投入的可能是奖金池价值的十倍。”
获胜者将于 7 月 20 日宣布，但 Bunje 表示，届时比赛并未真正结束。“我们在 XPrize 的一个口号是，真正的改变发生在奖金发放的那一天，因为那时他们才会真正开始改变世界。”
最终入围者
Xylem 团队
- 国家/地区：挪威 / 美国
- 团队领导：Jostein Hovdenes
- 技术方法：光学
凭借在设计和制造水下传感器方面数十年的经验，Xylem 能够进入这个决赛轮并不令人意外——至少从团队领导 Jostein Hovdenes 的话中可以得出这样的印象。他话不多，举止温和，充满自信，似乎让人觉得他们已经稳操胜券。“我们有氧气、电导率、盐度等传感器，”他解释道。“所以 [pH] 实际上是下一步的逻辑选择。”
Xylem 创建了一个光学 pH 电极来应对这个海洋大奖赛的严峻挑战。他们的新传感器可以安装在他们已经很受欢迎的 Seaguard 传感器外壳中，这样就可以与公司目前销售的其他海洋学仪器一起使用。
Xylem 的传感器依赖于一种荧光染料，该染料会根据周围水的 pH 值改变颜色。LED 灯向含有这种染料的薄膜发出蓝光，传感器读取发出的颜色以确定 pH 值。没有移动部件，整个系统功耗极低，非常适合电池寿命有限的长时部署。另外，外壳已经通过了 6000 米的额定测试，所以团队并不担心在深处会出现问题。
但尽管外壳已经过测试，pH 传感器本身相对较新，Hovdenes 认为他们“可以做得更好”。尽管他语焉不详，但 Hovdenes 提到比赛暴露了“与我们技术相关的陷阱”，并且他对团队获胜的机会“不太乐观”。
当我问 Hovdenes 如果他们赢了会做什么时，他的回答简洁而迷人：“我们希望改变海洋 pH 值的测量方式。”
Sunburst 传感器
- 国家/地区：美国
- 团队领导：James Beck
- 技术方法：分光光度法
分光光度法——测量已知波长的光通过物质后的强度——是检测 pH 值的“黄金标准”。因此，在某种程度上，Sunburst Sensors 在创建 pH 传感器时采取了经典的方法，使用了几十年来一直普遍使用的相同技术。“这种方法很简单。这是它的一个优点，”Sunburst Sensors 的团队领导兼首席执行官 James Beck 说。
Sunburst 的传感器，T-SAMI（钛潜水自主系泊仪器-pH——Beck 评论道：“我们在命名方面不太聪明”），包含一个小区域，海水会从周围海洋被吸入并与 pH 敏感染料混合。然后，传感器用光照射着已变色的水，并测量吸收了多少光，从而告诉仪器水的颜色——也就是 pH 值。
这几乎与 XPrize 分析团队用来创建评委将用于比较的参考值的测量方法相同。“他们基本上是在实验台上进行操作；我们是用一个设备来完成的，”Beck 说。
然而，T-SAMI 的一个大缺点是它很慢——它无法进行快速、连续的测量，因此在创建完整的 pH 深度剖面方面，它处于不利地位。“水温在一个小时内从室温降至接近冰点，pH 值和压力也在快速变化，”他解释说。T-SAMI 可能无法跟上速度更快的传感器。
还有价格：Sunburst 通常的 SAMI 型号售价超过 17,000 美元，而这款使用的是钛合金，一种更昂贵的金属外壳。
但 Beck 最担心的是，当有移动部件的设备下潜到 3000 米时，它们会如何表现。该公司位于内陆的蒙大拿州，因此从未能在深海中测试过他们的传感器。“我们没有任何办法进行模拟，”他说。
Beck 对他们的机会持乐观态度，但对比赛提供的机会更加热情。“如果我们赢了，那将是伟大的，但最终我们希望在这个领域变得更加聪明。”
HpHS
- 国家/地区：日本
- 团队领导：Yoshiyuki Nakano
- 技术方法：混合（玻璃电极 + 分光光度法）
团队名称说明了一切：“HpHS”，意为混合 pH 传感器，是唯一一款使用两种传感技术的传感器。它将两种久经考验的 pH 测定方法结合在一个时尚的模型中，从而获得了两全其美的优点。
与 Sunburst Sensors 的型号类似，HpHS 传感器配备了分光光度 pH 检测器，该检测器使用变色染料来测定 pH 值。但由于这种方法速度慢，且涉及许多移动部件和试剂，因此团队将其与单独的电极配对。HpHS 电极部分的技术与一种非常常用的 pH 测量方法类似。这些电极含有能与水中氢离子反应的液体，从而产生电压变化。然后可以根据参考电极（不与同一离子反应）读取该电压，并使用将电流差与离子浓度相关联的方程来计算 pH 值。
虽然这些方法单独使用都有缺点，但它们的组合有助于规避一些负面影响。正如团队领导 Yoshiyuki Nakano 所解释的，“分光光度系统非常准确但能耗更高”，而电极“精度不高但功耗更低”。
拥有两种传感器类型的最大优势是：传感器可以自校准，因此可以即时调整以适应环境波动。电极可以产生快速测量，但容易偏离其校准设置，因此需要经常重新检查。在 HpHS 型号中，分光光度部分会为电极进行校准，从而解决了这个问题。
Nakano 自信地说，这是世界上唯一的混合传感器。他们认为自己有很好的获胜机会，但不敢断言他们一定会赢。“我们期待着看到比赛结果以及比赛后的可能性。”
Durafet 团队
- 国家/地区：美国
- 团队领导：Bob Carlson
- 技术方法：电位法（离子敏感场效应晶体管电极）
Durafet 团队的成员在 pH 传感领域远非新手。他们花了五年时间和超过五百万美元设计、制造、校准和测试 Deep-Sea Durafet pH 传感器的原型。他们的完整型号已下潜至 2000 米——这是所有决赛选手中最深的——并且在现场测试中能够轻松应对温暖的热带海域和冰冷的南极水域。“我们已经制造这些东西好几年了，所以我们已经解决了最初的 bug，”随船的团队代表 Yui Takeshita 说。
Deep-Sea Durafet 中使用的电极与 HpHS 传感器中的电极相似，但它不使用玻璃，而是使用一种直接响应氢离子的特殊材料。这种“离子敏感”电极和参考电极（对氢离子不敏感）同时暴露在水中并构成一个电路，通过产生的电流可以计算出水的 pH 值。
Takeshita 解释说，大多数电极都过于脆弱，不适合开阔水域使用。因此，Durafet 必须与商业电极生产商 Honeywell 合作多年，才能生产出 Deep-Sea Durafet 中使用的 Durafet-3 电极。
使用电极的缺点是它们需要经过良好的校准——一切都依赖于参考电极和电路，如果海水在不该进入的地方渗漏，一切都会失败。尽管 Takeshita 对该型号在 2000 米深度没问题有信心，但这仍然比挑战的要求短 1000 米。Deep-Sea Durafet 的价格也非常昂贵。
尽管如此，Durafet 团队经过充分测试的模型是夺冠热门，Takeshita 也明白这一点：“我对我们的胜算很有信心。”
ANB 传感器
- 国家/地区：英国
- 团队领导：Nathan Lawrence
- 技术方法：电化学
有些人可能会认为 ANB Sensors 是比赛中的“冷门”——毕竟，他们直到第一轮实验室试验开始前一个月才开始制造原型。“在第二期 A 阶段开始前三个小时，它还没有工作，”Lawrence 笑着用着说。“但最终，我们做到了。”
他们的“pHenom”传感器使用获得专利的固态电极，不含任何真空或气体腔室。pHenom 包含多个电极，每个电极都有其独特的化学性质，能够对水中特定离子的浓度作出反应并输出电压。“传感器的魔力在于电极的化学性质，它能根据 pH 值在电极之间产生电压变化，”团队解释道。“除此之外——请保密——这个系统非常简单。”
固态电极给 ANB 带来了巨大的优势：无需校准。pHenom 可以被放入任何地方的任何水中，无需任何设置。
还有其他几个特点使他们的模型脱颖而出。一眼看去，它就显得与众不同：其扁平、白色、3D 打印的外壳与另外四个团队的圆柱形金属传感器形成鲜明对比。它是唯一一个对海洋仪器最令人头疼的问题之一——生物污损——有明确解决方案的传感器。任何放入海洋的东西都会成为从藤壶到海绵等各种生物的栖息地，它们会损坏仪器，并且清除成本高昂。pHenom 由一种特殊的塑料制成，可以抵抗海洋生物的附着。但最重要的是，它是迄今为止最便宜的。团队估计其制造成本约为 1000 美元——仅为决赛中其他型号价格的十分之一或更少。其低廉的价格、低维护的外壳和易用性使其成为可负担性奖项的有力竞争者。
然而，团队很快指出，虽然他们的技术便宜且用户友好，但它也未经测试。“深度和压力是最大的担忧，”Lawrence 说。在最后一轮比赛中，他们的传感器正在接受测试，以评估其在约 10000 英尺深度往返的性能——在此次比赛之前，团队将任何 pH 传感器带到的最深处是 10 英尺。
当我问 Lawrence 和他的团队成员 William Barrow 是否认为他们会赢时，他们非常有信心。“不会，”Barrow 坚定地回答，两人都笑了。Lawrence 摇了摇头。“完全没可能。”
