在马萨葡萄园岛附近约 20 英里的海面上，一个黄色的机器人浮标正在水中漂浮。像大多数数据收集浮标一样，这个固定的机器人正在窃听水下世界。但与作为漂浮气象站的大多数浮标不同，这个来自伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI) 的浮标正在实时监听该区域的鲸鱼。 就在本周，它探测到了长须鲸和塞鲸的存在。
该浮标是 WHOI 在美国东西海岸部署的众多机器人之一。这些浮标是自主平台，能够识别各种鲸鱼发出的声音：塞鲸、长须鲸、蓝鲸、座头鲸，但最值得注意的是露脊鲸，它们已濒临灭绝。
露脊鲸在海洋食物网中发挥着至关重要的作用。与其他滤食性动物一样，它们以浮游动物和微小甲壳类动物为食，然后通过排泄物将铁等营养物质回收并重新分配到海洋中。鲸鱼也是宝贵的碳储存库，当它们死亡并下沉时，它们的尸体会转变为海底生物的临时栖息地。但自 2010 年左右以来，露脊鲸的数量再次减少，尽管在 20 世纪 90 年代末商业捕鲸法修订后，21 世纪初的数量曾略有回升。目前估计只剩下 360 只。露脊鲸死亡的最常见原因是被渔具缠绕和船只撞击，尽管人们怀疑气候变化也可能构成威胁。其他可能影响它们行为的海洋人类活动包括响亮、不寻常的噪音，例如建筑施工或声纳。
然而，一些科学家认为，使用海上机器人探测鲸鱼的存在有助于人类更谨慎地避开它们。3 月份，WHOI宣布，它正在与一家法国航运公司合作，研究如何将机器人收集的信息纳入其业务运营。
WHOI 的海洋生态学家 Mark Baumgartner 的实验室负责运营这些浮标，同时还负责操作机器人滑翔机，这些滑翔机可以在海上移动以探测鲸鱼的去向。他说，他们还在与风能公司、NOAA、美国海军、州政府机构和加拿大研究人员合作，共同寻找减少这些动物所受伤害风险的方法。
在西海岸，这些浮标作为Whale Safe 系统的一部分，帮助监测这些大型海洋哺乳动物的活动。该系统绘制了加利福尼亚海岸附近的鲸鱼和船只的移动路线。
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机器人如何工作
WHOI 的研究人员目前正在使用 7 个浮标和 4 个滑翔机来解决这个问题。浮标和滑翔机共享相同的基本仪器和软件。具体来说，软件是 Baumgartner 编写的，用于识别鲸鱼声音并创建“音高轨迹”，然后将这些轨迹发送给他的实验室的研究人员。
该软件的概念很简单，用一个类比来解释最恰当。Baumgartner 说：“想象一下，你坐在那里弹钢琴，钢琴上有一个神奇的盒子，它会听你弹奏什么，然后吐出你弹奏过的所有乐曲的乐谱。”“你可以把乐谱拿给一位音乐家，音乐家可以读懂乐谱上的音符，然后说你弹的是《玛丽有只小羊羔》。音乐家不必听你弹奏什么。他们只需要读懂音符。”
这个系统的工作原理类似。本质上，它从频谱图或“音高轨迹”中识别声音并创建紧凑的声音表示，这类似于乐谱上的音符。然后，它将这些音高轨迹与现有鲸鱼叫声库中的音高轨迹进行比较。根据分析，机器人会将包含鲸鱼声音的音频片段转发到一个专门的陆地服务器。实验室里的人类分析师会收听这些片段，并最终决定是否探测到鲸鱼，并添加关于声音特征和发出声音的物种的注释。
Baumgartner 说：“许多鲸鱼的声音因物种而异。北大西洋露脊鲸发出的声音与长须鲸不同。”“每个物种的音高轨迹都是独一无二的。”
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听力系统的硬件组件包括每个滑翔机和浮标内部的计算机以及一个水下麦克风。这些机器人还配备了粒子运动传感器，可以帮助它们判断声音的来源方向。计算机通过铱星系统将数据传回实验室。数据从卫星传回后，会经过处理，并发布到一个显示公共信息的中央网站。数据也与美国国家海洋和大气管理局共享。
Slocom 滑翔机的锂离子电池可持续运行三到四个月，而浮标则使用可以使用一年的碱性电池组。固定浮标由 WHOI 设计，运行非常安静，因此板载仪器可以有效地监听海洋声音。
浮标和滑翔机都支持双向通信。滑翔机每两小时会给位于马萨诸塞州伍兹霍尔的 Baumgartner 实验室的一台计算机打一次“电话”。它不仅发送音高轨迹数据，还发送关于滑翔机状态、位置和预期航向等各种信息。研究人员可以指示它前往不同地点，或对出现的 onboard 问题进行故障排除。
Baumgartner 说：“我们选择将这项技术部署在不同平台上的原因是，有时你需要在相对较小的区域内进行长时间监测。浮标非常适合这项工作。”“如果你想覆盖更大的区域，自主车辆则更适合。”
目前，这两种机器人就像小学前的闪光灯一样，提醒汽车减速。但 Baumgartner 和他的团队希望这些机器人有一天能够通过电子邮件、短信、警报应用程序、政府软件或其他某种通信形式，通知任何船只或渔民在鲸鱼出现时要小心。
近乎实时探测
Baumgartner 研究鲸鱼和海洋声学已有十多年。早在 2005 年，他和他的合作者就开始部署具有被动声学监测能力的滑翔机。但很快，他们意识到，虽然收集声音并在几个月后进行分析对科学研究很有益，但对于保护和管理来说作用不大。于是，他们开始将系统转向更实时地进行探测。自 2012 年以来，他们已经更新了两个版本的海上机器人，但软件基本上保持不变。
在美国，NOAA 设立了一个名为慢行区的计划，在视觉或声学探测到鲸鱼的区域周围设置一个区域。它要求经过的船只将速度减至每小时十海里或以下，或完全避开该区域。“这个项目已经运行了大约两年。过去一个冬天，由于我们的浮标和滑翔机的探测，我们在东海岸设置了很多慢行区，”Baumgartner 说。“我们知道，当船只行驶速度较慢时，它们撞死鲸鱼的可能性就越小。”
另一方面，加拿大在鲸鱼出现时关闭了某些区域，禁止捕鱼并强制执行限速。
如果没有这个系统，发现迁徙鲸鱼的方法是从飞机、无人机或船只上进行侦察。这些方法对于获得鲸鱼的视觉读数很有用，你可以从照片中看出它们是否被缠住、受伤、生病或死亡。但飞行仪器经常受到天气和风况的影响。如果海浪浪花太多，就无法辨认出鲸鱼。而机器人，尤其是固定浮标，则可以随时监听。但前提是鲸鱼在该区域发出叫声。
尽管这项技术很有帮助，尤其是在减少鲸鱼不常出现的地区的风险方面，但它无法独自解决这个问题。“这些系统只是一个持续的提醒。但这不足以让人们知道它们的存在。根据这些信息，继续倡导更严格的露脊鲸保护措施非常重要，”Baumgartner 说。“还有许多其他解决方案是我们必须关注的。”
机器人本身无法拯救鲸鱼
Baumgartner 说，加拿大在鲸鱼出现区域强制执行的限速是更有效的方法。“自愿与强制之间（的区别）非常重要，因为遵守强制性限速的情况实际上非常好。而遵守自愿减速的情况则非常糟糕，”他说。
此外，Baumgartner 和他的团队正在考虑海洋产业如何应用机器人提供的信息。他们仍在解决的一个问题是，应该将这些信息提供给谁。因为当一艘船要靠岸时，它需要按时卸货，安排好码头工人，并准备好卡车接收集装箱。“这是一个船长自己无法解决的业务问题。你将信息提供给谁？”Baumgartner 说。“你是提供给船长、领航员、公司、调度员和业务规划师，还是提供给港口陆地物流安排人员、海岸警卫队，以便他们通知船只？”他与法国航运公司 CMA CGM 集团的合作项目旨在找到这个问题的答案。
同时，为 Baumgartner 的一些浮标提供资金的离岸风电公司也有兴趣了解机器人是否可以为施工计划提供信息，并为往返风力发电场的船只提供最佳实践建议。
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对于在海上鲸鱼附近作业的各种行业来说，机器人并不是一个全面的解决方案。例如，它们可能不适用于防止美国露脊鲸被渔具缠住。加拿大和美国的渔业运作方式不同。“（在加拿大）他们使用的渔具少得多。他们有渔季，渔季结束后，他们必须收起所有渔具回家，”他补充道。“美国的渔业完全不是这样，它是一个全年无休的渔业，所以渔民们根本没有设备来收起他们的渔具并带回家。”
除了鲸鱼机器人，Baumgartner 和其他人还在研究方法，以便科学家和制造商能够创新无绳捕鱼技术，使其对渔民来说更便宜、更容易纳入他们的业务。这样，即使有鲸鱼在场，他们仍然可以捕鱼，而监管机构也不必因为探测到附近的鲸鱼而关闭整个区域。
Baumgartner 说：“我们不会停止航运，也不会停止捕鱼。我们必须找到一种方法，使这些行业能够可持续发展，而不是像今天这样对海洋和海洋生物产生影响。”“减轻我们对动物造成的风险的潜在方法之一是，在知道鲸鱼在附近时改变工业实践。”
