在关岛附近的马里亚纳海沟底部，一个名为挑战者深渊的地方，位于海面以下 36,000 英尺处，上方的水压高达每平方英寸八吨，约是海平面标准大气压的一千倍。一些类比让我们想象 100 头成年大象站在你的头上，如果你能在那样的压力下存活足够长的时间来感受任何事物，这无疑会非常痛苦。
但这并没有阻止人类 venturing 到这个不适宜居住的地方。探险家们只去过几次，使用载人和无人系统，乘坐能够承受压力的特制飞行器。然而，他们从未以长期、系统的方式做到这一点——但这种情况即将改变。
在马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋研究所（WHOI），一个由科学家和工程师组成的小团队正在开发一类新的自主机器人系统，称为Orpheus，其名字来源于希腊神话中一位冒险穿越冥界深渊的人物。他们很快就能到达海洋最深、最黑暗的任何地方。
其理念是开发一支小型自主飞行器队伍，它们可以在水下停留数小时甚至数天，收集大量数据和样本，帮助研究人员更好地了解从气候变化到生命如何在极端环境下生存的一切。难怪当科学家们思考这种技术可能被使用的下一个前沿时，他们会看向太空。
探索我们海洋——以及其他世界的海洋
地球的深海是地球上探索最少、了解最少的区域。在所谓的超深渊区，从海面以下 20,000 英尺到 36,000 英尺，压力巨大，黑暗绝对，生命的奥秘丰富多彩。
人们相信，如果太阳系其他地方存在生命，它将在木星的冰封卫星（木卫二）或土星的冰封卫星（土卫二）上被发现，这两颗卫星的冰层下也有海洋。科学家说，如果存在生命，最有可能的形式是类似我们在自己海洋深处发现的微生物。或者可能完全是其他东西。一种新的生命形式。我们完全不知道。
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美国宇航局目前正在考虑进行任务，通过着陆飞行器并探索冰层下的生命，但这些任务可能还需要几十年才能实现。与此同时，在我们开发载具着陆并潜入冰封的异域海洋所需的技术时，我们正将我们自己海洋的深渊视为最接近的类比。这项工作正在进行中。
与 Orpheus 一起潜水
两个 Orpheus 飞行器已经制造完毕，目前正在美国各地的各种深海区域进行测试，包括新英格兰大陆架沿岸一个巨大的水下峡谷，以及佛罗里达海岸外的布莱克高原。每个机器人的大小都差不多相当于一辆哈雷戴维森摩托车，形状像一个潜艇三明治，建造成本不到 20 万美元——远低于其他具有类似能力的水下机器人系统。它们可以自主运行，这将是它们在超深渊深度的工作方式，但也可以连接到系绳一起工作。
Orpheus 项目是 WHOI 一项更大的深海探索计划的一部分，该计划称为 HADEX，是 Hadal Exploration 的缩写。该项目有望开辟深海科学的新前沿，并帮助海洋生物学家更好地了解生物体如何在深海的巨大压力下生存。科学家们认为，那里的环境如此不同，为了生存而需要的适应性也必须非常不同。对最深海域的探索可能会发现全新的生命形式，甚至可能全新的生命界。
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伍兹霍尔海洋研究所的深海生物学家、Orpheus 项目负责人 Timothy Shank 表示：“一旦你越过 6500 米，一切似乎都在改变。”“微生物系统似乎在改变。水中动物生命在改变。海底的东西也在改变。”
“我的意思是，它们有时让人想起我们在其他地方看到的，”他继续说道。“有蠕虫，有虾。有这样的东西，但它们有不同的适应性。它们的身体里有不同的生物分子。它们为了在那里生活而做不同的事情。因此，关于它们如何在那里生活，它们的代谢、生理以及我们可以从中学习到的东西，还有很多问题。”
这并不是 Shank 第一次探索最深的海域。之前一款名为Nereus的机器人，由 WHOI 的深海潜水实验室设计，于 2009 年前往马里亚纳海沟，曾被期望成为深海/超深渊探索的主力。然而，在 2014 年对新西兰附近的克马德克海沟进行的一次潜水中，Nereus 飞行器与其母船失去联系并失踪。据信，惊人的海水压力可能导致机器人内爆。
Shank 表示：“这是一个价值 1400 万美元的项目。”“我们进行了十几篇关于我们四次潜水所取得的新发现的出版物。太棒了。发现了新物种，各种各样的东西。”
自 Nereus 丢失以来，最深的海域在很大程度上对研究人员的长期探索关闭了。直到现在。
Shank 说：“现在的想法是制造一种轻便、廉价的自主水下航行器。[我们可以]拥有一支车队，将它们派出，它们将去勘测我们海洋最深处的洋底。”“让它们穿越广阔的距离，并将信息带给我们。”
制造能够在巨大压力、完全黑暗的海底峡谷（有时只有几百码宽）中航行的飞行器并不容易。用自主机器人这样做更是难上加难。这就是为什么 Shank 转向那些在建造能够应对极端恶劣条件的自主机器人方面拥有丰富经验的人：NASA 的喷气推进实验室（JPL）。
感知景观和海景
几十年来，JPL 的科学家们一直在开发能够在其他行星体上自主运行的系统。他们已经将它们送往火星和遥远的近地小行星，但就他们最终希望完成的任务而言，其中大部分系统相对简单。没有哪个会像我们希望最终发送到另一个行星卫星的海洋下的系统那样具有挑战性和复杂性。这些挑战如此巨大，以至于直到最近，研究人员才同时拥有了处理在这种极端环境中探索的各种意外情况和复杂性的算法所需的计算能力和专业知识。
JPL 的 Orpheus 系统工程师 Andrew Klesh 表示：“自主性是我们探索能力的一个主要放大器。”“它将使我们能够提出更宏大的科学问题和查询，并实现返回数据的目标。”
这项工作的一部分将依赖于一项自主飞行器在深海中不常使用的感知能力。大多数水下系统依赖声纳进行导航，通过测量声波撞击物体后的反射来确定位置、大小和形状。但 Orpheus 系统使用视觉能力， employing 小型摄像头，可以绘制和记录局部地形。
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Klesh 说：“这本质上是一套眼睛，可以观察海底的特征，我们能够识别它们，然后利用这些特征来决定如何前进。”“不仅仅是前进，还有我们的姿态和方向的变化。我们在火星上一直这样做。”但该系统的另一个极其有用的功能是它能够记住它去过的地方。
在火星上和海底，全球定位系统（GPS）这样的导航系统显然不可用，因此探索其他太空天体或深海区域的航天器需要使用不同的技术来确定它们的位置。通过记忆环境中各种特征并在运动中访问它们，这些新飞行器可以了解它们在哪里，并将这些信息提供给未来的探险。
当 Orpheus 穿越海底时，它将拍摄高分辨率、重叠的图像，创建海底的三维图像。它还将携带各种传感器，使它能够检测海底热泉或低温渗漏的化学特征。
Klesh 说：“因此，当我们谈论重新访问区域时，我们正在确定科学家们可以向下发送采样器并取回最有趣的东西的有趣地点。”
目前，自主飞行器的最先进算法集称为地形相对导航（TRN），它目前正在火星表面上运行。于 2021 年 2 月 18 日在红色星球的杰泽罗陨石坑着陆的“毅力号”火星车，被编程为使 NASA 能够通过快速自主地感知其相对于火星表面的位置并在下降过程中根据需要修改其轨迹来安全着陆。它还允许飞行器通过建立周围环境的三维视觉地图来在危险地形上导航。
通过在 Orpheus 飞行器中使用类似的系统，它们可以执行许多任务并拥有可供分析的数据，工程师们能够进一步训练系统以适应未来，他们希望这个未来包括太空任务，甚至可能包括前往木卫一的任务。
Orpheus 的首席 JPL 软件工程师 Russell Smith 指着两个海洋中的压力说：“欧罗巴和地球之间的环境非常相似。”“穿过冰层后，探索将与我们现在使用 Orpheus 所做的非常相似。”
plunging down to enormous depths
到目前为止，Orpheus 平台仍处于测试阶段，但 Shank 表示，最早可能在 2022 年进行一次对该行星深海海沟的潜水。到目前为止进行的测试都预示着该飞行器将在深海表现良好。Shank 说，最近一次测试的结果，于 5 月从美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的“奥德赛探险家号”（Okeanos Explorer）发射，令人鼓舞。
“我们进行了八次 [Orpheus] 飞行器的潜水。它的表现非常出色，”他说。“我们观察了高度保持、转弯，只是这个东西保持航向的能力。并且非常成功。我们在八次潜水中航行了超过 24 公里[15 英里]。我们拍摄了海底照片，制作了三维马赛克。我们携带了一个现场化学传感器，在航行过程中检测到水中氧含量的差异。”
随着 Orpheus 系统的不断进步，JPL 的科学家们开始将目光投向天空，但从深海到深空的飞跃不会一蹴而就。
Klesh 表示：“我们距离能够发送飞行器探索土卫二和木卫一的海洋还有几十年。”几项项目正在进行中，例如欧罗巴快帆号项目，该项目将对木卫一进行详细勘测，以确定它是否具备适宜生命存在的条件。但 Klesh 说：“还有很多工作要做。”
Shank 认为，有太多东西需要学习，现在是时候用一种比过去更便宜、更灵活的系统来做了。
Shank 说：“有如此多的问题——这是令人难以置信的。”“计划是开启一个新时代，这不仅是科学发现的时代，也是技术发展的时代。”
