Undervattensrobotar utvecklade av forskare vid Scripps Institution of Oceanography vid University of California San Diego erbjuder forskare ett extraordinärt nytt verktyg för att studera havsströmmar och de små varelser de transporterar. Svärmar av dessa undervattensrobotar hjälpte till att svara på några grundläggande frågor om de vanligaste livsformerna i havet - plankton.

Scripps forskning oceanograf Jules Jaffe designade och byggde miniatyr autonoma undervattensutforskare, eller M-AUE, att studera småskaliga miljöprocesser som äger rum i havet. Havsundersökningsinstrumenten är utrustade med temperatur och andra sensorer för att mäta omgivande havsförhållanden medan robotarna "simmar" upp och ner för att bibehålla ett konstant djup genom att justera deras flytkraft. M-AUE kan eventuellt sättas ut i svärmar av hundratals till tusentals för att fånga en tredimensionell bild av samspelet mellan havsströmmar och marint liv.

I en ny studie publicerad i tidningen 24 januari Naturkommunikation , Jaffe och Scripps biologiska oceanograf Peter Franks använde en svärm av 16 grapefruktstora undervattensrobotar programmerade för att efterlikna planktons undervattensbeteende, de mikroskopiska organismer som driver med havsströmmarna. Forskningsstudien var utformad för att testa teorier om hur plankton bildar täta fläckar under havsytan, som ofta senare avslöjar sig vid ytan som röda tidvatten.

"Dessa patchar kan fungera som planktoniska singlar, sa Franks, som länge har misstänkt att de täta aggregeringarna kan underlätta matning, fortplantning, och skydd mot rovdjur.

För två decennier sedan publicerade Franks en matematisk teori som förutsäger att simplankton skulle bilda täta fläckar när de skjuts runt av inre vågor - jätte, långsamma vågor under havsytan. Att testa hans teori skulle kräva spårning av enskilda planktons rörelser - var och en mindre än ett risskorn - när de simmade i havet, vilket inte är möjligt med hjälp av tillgänglig teknik.

Jaffe uppfann istället "robotplankton" som driver med havsströmmarna, men är programmerade att flytta upp och ner genom att justera sin flytkraft, imitera planktons rörelser. En svärm av dessa robotplankton var det idealiska verktyget för att äntligen sätta Frankes matematiska teori på prov.

"De stora tekniska genombrotten var att göra M-AUE små, billig, och kan spåras kontinuerligt under vattnet, "sa Jaffe. Den låga kostnaden gjorde att Jaffe och hans team kunde bygga en liten armé av robotarna som kunde sättas in i en svärm.

Att spåra de enskilda M-AUE var en utmaning, eftersom GPS inte fungerar under vattnet. En nyckelkomponent i projektet var utvecklingen av forskare vid UC San Diego Qualcomm Institute och Institutionen för datavetenskap och teknik för matematiska tekniker för att använda akustiska signaler för att spåra M-AUE-fordonen medan de var nedsänkta.

Under ett fem timmars experiment, Scripps-forskarna tillsammans med UC San Diego-kollegor utplacerade en svärm på 300 meter (984 fot) med 16 M-AUE som är programmerade att hålla sig 10 meter (33 fot) djupt i havet utanför Torrey Pines kust, nära La Jolla, Kalifornien M-AUE justerade ständigt sin flytkraft för att röra sig vertikalt mot de strömmar som skapas av de inre vågorna. Den tredimensionella platsinformationen som samlades in var 12:e sekund avslöjade var denna robotvärm rörde sig under havsytan.

Resultaten av studien var nästan identiska med vad Franks förutspådde. De omgivande havstemperaturerna svängde när de inre vågorna passerade genom M-AUE-svärmen. Och, som förutspådde av franker, M-AUE-platsdata visade att svärmen bildade en tätt packad fläck i de varma vattnen i de inre vågtunnorna, men spridda över vågkammarna.

"Det här är första gången en sådan mekanism har testats under vattnet, "sade Franks. Experimentet hjälpte forskarna att bekräfta att fritt flytande plankton kan använda havets fysiska dynamik-i detta fall inre vågor-för att öka sina koncentrationer för att samlas i svärmar för att uppfylla deras grundläggande livsbehov.

"Detta svärmkänsliga tillvägagångssätt öppnar upp för ett helt nytt område för utforskning av hav, "sa Jaffe. Att öka M-AUE:erna med kameror skulle möjliggöra fotografisk kartläggning av korallhabitat, eller "plankton selfies, "enligt Jaffe.

Forskargruppen hoppas kunna bygga hundratals fler av miniatyrrobotarna för att studera larvernas rörelse mellan marina skyddade områden, övervaka skadliga röda tidvattenblommor, och för att spåra oljeutsläpp. Inbyggda hydrofoner som hjälper till att spåra M-AUE under vattnet kan också låta svärmen agera som ett gigantiskt "öra" i havet, lyssna på och lokalisera omgivande ljud i havet.

Jaffe, Franks, och deras kollegor tilldelades nästan 1 miljon dollar från National Science Foundation 2009 för att utveckla och testa den nya rasen av havsundersökande instrument. Studiens medförfattare inkluderar:Paul Roberts, huvudutvecklingsingenjör på Scripps, Ryan Kastner, professor vid institutionen för datavetenskap och teknik; Diba Mirza, postdoktor i datavetenskap; och Curt Schurgers, huvudutvecklingsingenjör vid Qualcomm Institute, och Scripps studentpraktikant Adrien Boch.