新能源为海底机器人提供无限动力

在绘制新领土地图方面，NASA的记录远超刘易斯和克拉克。NASA不仅绘制其他恒星和行星的地图，而且从太空的有利位置还可以俯瞰地球。现在，NASA的一项最新发明可以让机器人绘制地球的整个海底地图，帮助发掘宝贵资源，同时保护海洋栖息地。虽然用于此类操作的水下声纳设备并不新鲜，但它们的电池严重受损，导致它们在水中无法使用。

总部位于加利福尼亚州维斯塔的Seatrec公司以美国国家航空航天局(NASA)位于南加利福尼亚州的喷气推进实验室所创造的技术为基础，并获得加利福尼亚理工学院的许可，目前已为海底机器人提供了首个完全由其环境提供动力的能源，使设备能够无限期地在公海中工作，而无需任何干预。

获得海洋科学博士学位后，易超进入喷气推进实验室工作，致力于海洋研究。他的选择似乎有悖常理，但该航天局已将研究地球(包括海洋和冰盖)作为一项主要优先事项，发射了数十颗卫星，上面装有数百个传感器，用于测量海平面、温度、盐度等。

“我在喷气推进实验室工作了大约15年，主要研究太空中的海洋，”Chao说道，他的职业生涯亮点之一是担任Aquarius卫星任务的项目科学家，该任务测量了海水的盐度。该任务的一项挑战是校准卫星仪器，使其与Chao及其团队必须分发到海洋各处的传感器直接测量的盐含量相一致。虽然卫星每天可以毫不费力地绕地球飞行数次，收集读数，但对于乘船穿越海洋的研究人员来说，这些海洋距离仍然非常遥远。

“我们出海30天，”他说。“我们部署了——也请大学里的同事们部署了——各种机器人平台来收集大西洋中部的数据，不仅在海面附近，而且在海面以下，这样我们就可以校准和解释我们在太空中测量到的数据。”

这次经历让他意识到，要进入世界上许多公海仍然十分困难，距离最近的主要港口可能要一个多星期，这也让他了解了监测公海状况的机器人。他了解到，它们最大的限制因素是能源，尤其是水下传感器，它们不能依赖太阳、风和波浪等水面上的可再生能源。目前，所有海底机器人都是电池供电的，当电池没电时，主人可以将传感器留在原地，让它变成污染物，也可以在船上给电池充电。在公海，这艘船每天要花费大约5万美元，燃烧大量柴油。

“我确实有机会了解水下机器人所面临的挑战，尤其是能源，并确定了这个我想要解决的特殊瓶颈，”赵说。

机器人崛起

他招募了两名喷气推进实验室的同事，他们着手为海底机器人建造一种不同类型的电源。

为了发电，他们决定使用相变材料，即在某些理想温度下在相态(通常是在固态和液态之间)之间转变的物质。NASA经常使用相变材料来缓解太空中的极端温度，但Chao的团队希望利用相变伴随的体积变化来发电。除水和金属外，大多数物质在熔化时会膨胀，在冻结时会收缩。

Seatrec的两个SL1模块连接到机器人浮筒上。浮筒从较冷的深水上升到较暖的地表水时，模块通过相变材料体积的变化产生电能。通过添加第二个模块，操作员可将可用能量翻倍。图片来源：Seatrec

“我们利用体积膨胀产生的动能来驱动电机，然后将机械能转化为电能，现在你可以给电池充电了，”Chao说。这是一个古老的概念，基本上就是蒸汽机的工作原理，利用水膨胀成蒸汽来驱动电机。但从固体到液体的转变只会产生大约10%的膨胀。因此，挑战在于充分利用它产生的少量能量。

“因此，每个组件都必须非常高效，”Chao说道。“这就是为什么人们尝试过这种方法，但认为转换的能量不够。我们是第一个从头到尾完成整个过程并挑选出效率最高的组件的公司，最终我们可以为水下机器人产生足够的能量。”

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