Buntad i snöutrustning och med motorsåg, ett team av ingenjörer skär ett rektangulärt block från den fasta isen under fötterna, snida en entré för deras undervattensrobot. De ploppade det torpedformade fordonet, som heter Polaris, in i det mörka hålet ur ytan av Bog Lake, Maine, och det gled smidigt i vattnet. Fältförsöket-ett samarbete mellan MBARI och Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI)-markerade första gången ett MBARI långtgående autonomt undervattensfordon (LRAUV) någonsin hade färdats under ett inlandsis. Men det blir inte den sista – Polaris eller liknande robotar kan så småningom användas för att sniffa upp oljeutsläpp och algblomningar i det istäckta Arktis.

Autonoma undervattensfarkoster (AUV) kan bära en mängd olika instrument, inklusive de som mäter vattentemperaturen, samla vattenprover, eller spela in ljud under vattnet. Forskare och ingenjörer använder i allmänhet dessa robotar utanför sidan av ett fartyg. Fordonet navigerar sedan på egen hand i de omgivande vattnen, och slutför sitt uppdrag inom en dag eller två.

Polaris, dock, är en av MBARI:s långdistans AUV (LRAUV), designad för att stanna ute i vattnet i veckor i taget. Även om andra undervattensrobotar kan stanna till sjöss under längre perioder, LRAUV bär alla nödvändiga sensorer för långtidsövervakningsstudier och är mycket mer kostnadseffektiv än att använda ett forskningsfartyg och en besättning för att samla in samma data.

"Förmåga med lång räckvidd för AUV:er är fortfarande relativt ny, "sa MBARI Senior Software Engineer Brian Kieft." Alla våra LRAUV:er var utformade för att så småningom kunna fungera med ett tak ovanpå - till exempel en is - men detta projekt är unikt eftersom, efter nästan 25, 000 timmar till sjöss, det är allra första gången en LRAUV faktiskt har varit under isen."

De flesta AUV:er kommer upp till ytan med jämna mellanrum, använder GPS för att ta reda på var de är. Men beläggning är inte ett alternativ när man arbetar under ett inlandsis; istället, Polaris manövrerar genom vattnet med sin hastighet, rubrik, närhet till en akustisk fyr, och ekolod för att kontinuerligt uppskatta dess position.

Medan Polaris färdas under isen, forskare kan hålla koll på roboten och ladda ner små mängder data med en akustisk undervattensgivare som sänks ner i ett hål i isen. LRAUV kan upptäcka och lokalisera sådana akustiska beacons upp till fem kilometer (över tre miles) bort. Forskare kan utöka LRAUVs ​​sortiment genom att borra ytterligare hål i isen och placera givare i dem. "Det ger dig fem kilometers räckvidd runt varje hål där du fortfarande kan få tillbaka data och avgöra vad som händer, " förklarade Kieft.

I slutet av sitt uppdrag, Polaris måste hitta och lägga till ett rep som hänger genom isen - dess dockningsstation. LRAUV:n under is är utrustad med en speciell dockningsnäsa inramad av två "morrhår" i metall som hjälper den att haka fast på denna tunna vertikala linje. Genom att gå in på en akustisk fyr, roboten kan återvända till kajen om det finns några problem under driftsättningen. "Det är hemma söta hem, ", sa Senior Mechanical Engineer Brett Hobson. "Dockan är den enda platsen där den kan stanna, den enda platsen där det är säkert."

Innan du går där ingen annan LRAUV har gått tidigare, Polaris testades vid stränderna i soliga Kalifornien. För två somrar sedan, MBARI-forskare och ingenjörer spred en plym av fluorescerande grönt biologiskt nedbrytbart färgämne i det mörkblå vattnet i Stilla havet. Ingenjörerna testade sedan robotens förmåga att spåra plymens kanter – en färdighet som kan översättas till att upptäcka fläckvis oljeutsläpp eller algblomning. Testerna i Santa Barbara och Monterey Bay, som de i Bog Lake, finansierades av ett anslag till University of Alaskas Arctic Domain Awareness Center (ADAC) av USA:s Department of Homeland Security.

Efter att ha genomfört fältförsök i temperaturer under fryspunkten i norra Maine, ingenjörsteamen kan mer fullständigt uppskatta den autonoma designen av deras fordon. "I teorin, när du tappar LRAUV i vattnet, du kan gå hem, ", sa Hobson. "Den kan styras från en webbläsare på en dator, som kan placeras var som helst i världen." Detta skulle vara ett mycket tilltalande alternativ för arktiska utbyggnader. Men även den hårdaste AUV är inte immun mot kyliga temperaturer. Vid Bog Lake, ingenjörerna var tvungna att linda in roboten i värmefiltar när den inte var i vattnet, för att förhindra att dess mekaniska komponenter fryser.

Lika dåliga som förhållandena var i Maine, Polaris kommer snart att möta ännu hårdare klimat. Sjöfartstrafiken och oljeutforskningen ökar i Arktis, lämnar Kustbevakningen oroad över en ökad risk för oljeutsläpp. I händelse av ett större utsläpp under is, en ishyllas släta vita fasad kan helt dölja oljan från insyn när den sprider sig under, orsakar omfattande miljöskador och gör inneslutningen svår eller omöjlig.

"Du kan inte riktigt veta vad som händer under isen med traditionella observationsmetoder, "sade Kieft. ADAC -forskargruppen hoppas att genom att använda LRAUV utrustade med instrument för att mäta koncentrationer av olja i vatten, de kan snabbt kartlägga ett spill, spåra dess rörelse, och möjligen till och med identifiera källan till läckaget.

Designa en robot som kan dyka under ett inlandsis, spåra en plume, och hitta tillbaka krävde massor av teknik på plats. "Vi ändrade mycket av den här robotens beteende, "sa Kieft." En del av tekniken, till exempel dockningsförmågan som vi har utvecklat för detta projekt, kan ha långtgående fördelar för forskare vid MBARI, och förhoppningsvis forskare runt om i världen, oavsett om det är under isen eller i öppet vatten."

Nästa stopp för roboten blir de stora sjöarna i mars, följt av Barrow, Alaska i juli. Utformningen av LRAUV har licensierats till WHOI, som planerar att bygga ytterligare fordon. Även om MBARI kommer att fortsätta att ge stöd, Polaris har officiellt överlämnats till forskarna vid WHOI, vem som ska driva det framöver.