潜水器成功捕获水下内波

由百年航空与机械工程教授约翰·达比里（John Dabiri，博士 '05）领导的加州理工学院科学家团队，一直在利用水母穿越海洋和探测深海的天然能力，给它们配备电子设备和假体“帽子”，使这些生物能够在海洋航行中携带小型有效载荷，并将发现传回水面。这些仿生水母必须应对所遭遇洋流的涨落，但这些无脑生物无法自主决定如何最佳航行至目的地，且一旦部署便无法进行远程控制。

“我们知道增强型水母可以成为优秀的海洋探索者，但它们没有大脑，”达比里说道。“因此，我们一直在努力开发一种大脑模型，以期赋予这些系统在水下自主决策的能力。”

如今，达比里与其前研究生彼得·冈纳尔森（Peter Gunnarson，博士 '24，现任职于布朗大学）找到了一种简化该决策过程的方法，帮助机器人（或潜在的增强型水母）借助洋流产生的湍流涡旋前进，而非与之对抗。研究人员近期将成果发表于期刊PNAS Nexus。

为此研究，冈纳尔森重新启用了实验室的老朋友：CARL-Bot（加州理工学院自主强化学习机器人）。数年前，冈纳尔森建造了CARL-Bot，作为将人工智能融入该机器人导航技术的初步工作。但他最近发现了一种比人工智能更简单的水下决策方法。

“我们当时正头脑风暴水下航行器利用湍急水流推进的方案，并思考这些水流能否成为小型航行器的优势而非障碍，”冈纳尔森表示。

冈纳尔森希望精确理解洋流如何推动机器人。他在加州理工学院校园古根海姆航空实验室的达比里实验室内，将一个推进器固定在16英尺长的水槽壁上，用以反复生成所谓的涡环——本质上是水下版本的烟圈。涡环能很好地代表水下探索者在海洋混沌流体中遭遇的扰动类型。

冈纳尔森开始使用CARL-Bot搭载的单一加速度计测量其运动状态及受涡环推动的情况。他注意到，机器人偶尔会被涡环捕获并推至水槽另一端。他与同事开始思考这种效应是否可被主动利用。

为探索此可能性，团队开发了简单指令帮助CARL探测涡环的相对位置，随后调整自身姿态以——用冈纳尔森的话说——“搭上顺风车，基本无需耗能就能穿越水槽”。此外，机器人也可选择避开不愿被其推动的涡环。

达比里指出，该过程包含仿生学元素，借鉴了自然界的策略。例如，翱翔的鸟类常利用强风节省能量而非逆风飞行。实验也表明鱼类可能借助海洋旋涡流保存体力。但在自然案例中，生物系统均需依赖相对复杂的感官输入和大脑才能实现。

“彼得的发现表明，仅需单一传感器（即该加速度计）和相对简单的控制法则，我们就能获得类似优势，利用环境能量实现从A点到B点的移动，”达比里解释道。

展望未来，达比里希望将此研究与其混合水母项目结合。“通过水母，我们可用搭载的加速度计测量系统受水流推动的情况，”他表示。“希望我们能展示类似能力，利用环境流态实现更高效的水中移动。”