これらの新しいロボットは海の最も異様な深みに飛び込むだろう

マリアナ海溝の底、グアム近くのチャレンジャー海淵と呼ばれる海面下 36,000 フィートの場所で、水面からの圧力は 1 平方インチあたり 8 トンという圧倒的な圧力に達します。これは海面の標準気圧の約 1,000 倍です。ある比較では、大人の象 100 頭が頭の上に立っているところを想像してくださいと書かれていますが、そのような圧力にさらされて少しでも感じることができるほど長く生き延びたとしても、間違いなく痛みを感じることでしょう。

しかし、それは人類がこの過酷な場所へ冒険することを妨げてはいない。探検家たちは、圧力に耐えられるよう特別に設計された船で、有人および無人のシステムの両方で、ほんの数回しかこの冒険を行なったことがない。しかし、彼らは長期的かつ組織的な方法でこの冒険を行なったことはなかった。しかし、それは今や変わろうとしている。

マサチューセッツ州のウッズホール海洋研究所（WHOI）では、科学者とエンジニアの小さなチームが、冥界の奥深くを探検したギリシャ神話の人物にちなんで名付けられたオルフェウスと呼ばれる新しいクラスの自律ロボットシステムを開発している。このロボットは、間もなく海の最も深く暗い部分のどこにでも到達できるようになるだろう。

その構想は、数時間、場合によっては数日間、地上に留まり、気候変動から極限環境で生命が生き延びる方法まで、あらゆることを研究者がより深く理解するのに役立つ膨大なデータとサンプルを収集できる、自律飛行体の小規模な艦隊を開発することだ。科学者が、このような技術が活用される可能性のある次のフロンティアについて考えるとき、宇宙に目を向けるのも不思議ではない。

ここと他の世界の海を探索する

地球の深海は、地球上で最も探査も理解も進んでいない場所です。水深 20,000 フィートから 36,000 フィートのいわゆる超深海帯では、圧力が非常に高く、暗闇は絶対的で、生命の謎があふれています。

太陽系のどこかに生命が存在するとすれば、木星（エウロパ）または土星（エンケラドゥス）の氷に覆われた衛星のいずれかで見つかると考えられています。どちらの衛星も氷の下に海があります。科学者によると、生命が存在するとすれば、地球の海の深いところで見つかる微生物のような形をとる可能性が高いそうです。あるいは、まったく別の何か、つまり新しい形の生命が存在するかもしれません。私たちにはまったくわかりません。

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NASA は現在、着陸船と氷の下の探査によって他の衛星の生命体を探すミッションを検討しているが、実現までにはおそらく数十年かかるだろう。その間、私たちは、氷に覆われた外国の海に着陸して潜水するために必要な技術を開発する中で、最も近い類似例として、地球の海の深海に目を向けている。その作業は現在行われている。

オルフェウスと一緒にダイビング

オルフェウスのロボットは既に2台製造されており、ニューイングランド大陸棚に沿った広大な海底渓谷や、フロリダ沖のブレイク台地と呼ばれる場所など、米国各地の深海でテストされている。各ロボットはハーレーダビッドソンのバイクとほぼ同じ大きさで、ホギーサンドイッチのような形をしており、製造コストは20万ドル未満で、同様の機能を持つ他の水中ロボットシステムよりもはるかに安価である。これらのロボットは超深海で自律的に動作できるが、テザーに接続した状態でも動作できる。

オルフェウス プロジェクトは、WHOI の深海探査のより大規模なプログラムの一部で、HADEX (Hadal Exploration の略) と呼ばれています。このプロジェクトは、深海科学の新たな領域を切り開き、海洋生物学者が深海の圧倒的な圧力に耐えられる生物の仕組みをより深く理解するのに役立つと期待されています。深海の状況は非常に異なるため、生き残るために必要な適応も大きく異なるはずだと科学者は考えています。海洋の最深部を探索することで、まったく新しい生命体、おそらくは新しい生命界が発見されるかもしれません。

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「水深6,500メートルを超えると、すべてが変わるようです」と、ウッズホール海洋研究所の深海生物学者でオルフェウスプロジェクトの責任者であるティモシー・シャンク氏は言う。「微生物系が変化するようです。水柱内の動物の生命が変化します。海底のものが変わります。」

「つまり、それらは時々、私たちが他の場所で見るものを思い起こさせるのです」と彼は続けます。「ミミズもいるし、エビもいます。そういったものもいますが、それらはそれぞれ異なる適応をしています。体内には異なる生体分子があります。彼らはそこで生きるために異なることをします。ですから、彼らが代謝や生理学でどのようにそこで生きているのか、そしてそこから何を学べるのかについて、たくさんの疑問があります。」

シャンクが海の最も深い部分を探索するのは今回が初めてではない。WHOIの深海潜水研究所で設計されたネレウスという以前のロボットは、2009年にマリアナ海溝まで潜航し、深海/超高層探査の主力となることが期待されていた。しかし、2014年にニュージーランド近くのケルマディック海溝での潜航中に、ネレウスの機体は母船との連絡を失い、行方不明になった。ロボットが爆発的に沈んだのは、おそらく海の圧力が大きかったためだと考えられている。

「これは 1,400 万ドルのプロジェクトでした」とシャンク氏は言います。「たった 4 回の潜水で、新しい発見が 12 件以上発表されました。すごいことです。新種や、さまざまなものが発見されました。」

ネレウス号が失われて以来、海洋の最深部は研究者による長期探査からほぼ閉ざされてきた。これまでは。

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「現在、軽量で製造コストの安い自律型水中車両を製作する構想があります。この車両を数台用意して海に送り出すと、海の最も深い部分の海底を調査してくれます」とシャンク氏は言う。「この車両に広大な距離を移動させて、その情報を持ち帰ってもらいましょう。」

非常に大きな圧力や暗闇、時には幅が数百ヤードしかない海底の峡谷を航行できる乗り物を作るのは簡単ではありません。自律的に動くロボットでそれを実現するのはさらに困難です。そのため、シャンク氏は、極めて過酷な条件に対応できる自律ロボットの構築で豊富な経験を持つ NASA のジェット推進研究所 (JPL) に頼りました。

風景と海の景色を感じる

JPL の科学者たちは何十年もの間、他の惑星で自律的に作動するシステムを開発してきました。彼らは火星や遠く離れた小惑星にシステムを送りましたが、それらのシステムのほとんどは、最終的に達成したいと望んでいる基準からすると比較的単純なものでした。他の惑星の月の海の下に送りたいシステムほど困難で複雑なものはないでしょう。課題は非常に大きいため、研究者がこのような極限環境での探査のあらゆる不測の事態や複雑さに対処できる可能性のあるアルゴリズムを作成するための計算能力と専門知識の両方を備えたのはつい最近のことです。

「自律性は、探査でできることを大きく増やす要因です」と、JPL の Orpheus 主任システムエンジニアであるアンドリュー・クレシュ氏は言う。「自律性によって、科学的な疑問や質問、そしてデータを持ち帰るという目標に対して、より大胆な行動をとることができるようになります。」

その取り組みの一部は、深海での自律走行車ではあまり使用されないセンサー機能に依存する。ほとんどの水中システムはナビゲーションにソナーに依存しており、物体に当たった音波の反射を測定して位置、大きさ、形状を判断する。しかし、Orpheus システムは視覚機能を使用し、現地の地形をマッピングして記録できる小型カメラを採用している。

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「これは本質的には、海底全体を見て認識できる特徴を探し、その特徴を使ってどのように前進するかを決定する目です」とクレシュは言う。「前進するだけでなく、姿勢や方向がどのように変化するかを知ることもできます。火星ではこれを常に行っています」。しかし、このシステムのもう 1 つの非常に便利な機能は、これまでどこにいたかを記憶するように作られていることです。

火星や海底では、全地球測位システム (GPS) などのナビゲーション システムは当然利用できないため、宇宙空間や深海にある他の天体を探索する宇宙船は、現在地を特定するために別の技術を使用する必要があります。環境内のさまざまな特徴を記憶し、移動中にそれらにアクセスすることで、これらの新しい乗り物は、現在地を理解し、その情報を将来の探査に提供することができます。

オルフェウス号は海底を移動しながら、高解像度の画像を撮影し、重ね合わせて海底の3次元画像を作成する。また、熱水噴出孔や低温の湧出孔の化学的特徴を検出できる多数のセンサーも搭載する。

「そこで、その地域を再訪することについて話し合う中で、科学者がサンプルを採取して最も興味深いものを持ち帰ることができる興味深い場所を特定しています」とクレシュ氏は言う。

現在、自律走行車用の最先端のアルゴリズムは地形相対航法（TRN）と呼ばれ、火星の表面で現在稼働している。2021年2月18日に赤い惑星のジェゼロクレーターに着陸した火星2020パーサヴィアランス探査車は、NASAが火星の表面に対する探査車の位置を迅速かつ自律的に感知し、降下中に必要に応じて軌道を変更することで、探査車を安全に着陸させることができるようにプログラムされていた。また、周囲の3D視覚マップを作成することで、車両が表面の危険な地形を移動できるようにもなっている。

多くのミッションを実行し、そのデータを分析に利用できるオルフェウス宇宙船に同様のシステムを使用することで、エンジニアたちは将来に向けてシステムをさらに訓練することができ、その将来にはエウロパへのミッションを含む宇宙へのミッションが含まれると期待しています。

「エウロパと地球の環境は非常に似ています」とオルフェウスの主任JPLソフトウェアエンジニア、ラッセル・スミス氏は2つの海の圧力について語る。「氷を抜けた後の探査は、現在オルフェウスで行っていることと非常に似たものになるでしょう。」

巨大な深みへと飛び込む

今のところ、オルフェウス・プラットフォームはまだテスト段階だが、シャンク氏によると、地球の深い海溝のひとつへの潜水は早ければ2022年に実施される可能性があるという。これまでに実施されたテストでは、この探査機が深海でもうまく機能するだろうという期待が持てる。5月にアメリカ海洋大気庁（NOAA）のオケアノス・エクスプローラーから打ち上げられた最新のテストの結果は有望なものだったとシャンク氏は言う。

「我々は [オルフェウス] 機で 8 回の潜水を行いました。素晴らしいパフォーマンスでした」と彼は言います。「高度維持、旋回、機体の方向維持能力を検証しました。そして、それは非常にうまくいきました。8 回の潜水で 24 キロメートル [15 マイル] を越えました。海底を撮影し、3D モザイクを作成しました。機体には、その場で物事を感知する化学センサーが搭載されており、走行中に水中の酸素含有量の違いを感知していました。」

オルフェウス システムが進歩を続ける中、JPL の科学者たちは上空に目を向け始めているが、深海から深宇宙への飛躍は一夜にして起こるものではない。

「エンケラドゥスとエウロパの海を探査するための探査機を送り込むことができるようになるまでには、まだ数十年かかるでしょう」とクレシュ氏は言う。エウロパの詳細な調査を行い、生命が生存できる環境が整っているかどうかを調べるエウロパ・クリッパー計画など、いくつかのプロジェクトが進行中だ。しかし、クレシュ氏は「まだやるべきことはたくさんある」と言う。

シャンク氏によると、学ぶべきことは非常に多く、今こそ過去のものよりも安価で柔軟性の高いシステムでそれを実行するときだという。

「疑問が多すぎて、頭が混乱します」とシャンク氏は言う。「この計画は新しい時代を先導することであり、それは科学の発見の時代であるだけでなく、技術の発見の時代でもあるのです。」