レスキュー隊は2023年6月22日、沈没したタイタニック号の近くの海底で、観光用潜水艇タイタンの残骸を発見した。

深海の底に人を運ぶことは本質的に危険である。同時に気候変動は、世界の海からのデータ収集がこれまで以上に不可欠であることを意味している。パデュー大学の機械エンジニア、Nina Mahmoudian氏が、研究者が深海探査に伴うリスクとコストを削減する方法を説明する：潜水艦を沈め、人は地上に残す。

なぜ水中調査のほとんどが遠隔操作や自律走行する水中ビークルで行われるのでしょうか？

水中調査といえば、広大な地域を対象とします。そして、広大なエリアをカバーするには、長時間、時には数カ月にわたって作業できるツールが必要です。水中ビークルに人を乗せることは、特にそのような長期間にわたっては、費用もかかるし、危険でもあります。

研究者たちが使用するツールのひとつが、遠隔操作船（ROV）です。基本的に、船舶とオペレーターの間にはケーブルがあり、オペレーターは船舶に命令して動かすことができ、車両はリアルタイムでデータを中継することができます。ROVの技術は、水深6,000メートルまでの深海に到達できるように大きく進歩しました。また、海底の観察やデータ収集に必要な機動性も向上しています。

自律型水中ビークルは、水中探査の新たな機会を提供します。自律型水中ビークルは通常、船につながれていません。通常、特定の任務を遂行するよう前もってプログラムされています。また、水中にいる間は常に通信ができるわけではありません。ある程度の間隔で浮上し、収集したデータの全量を中継し、バッテリーを交換するか充電して新たな指示を受け、再び潜水して任務を継続します。

有人潜水艇にはできない遠隔操作や自律型潜水艇には何ができるのでしょうか？

有人潜水艇は、一般の人々や関係者にとってエキサイティングなものになるでしょうし、有人宇宙探査と同様に、人間が機器を操作し、意思決定を行う能力を高めるのに役立つでしょう。しかし、必要なプラットフォームの大きさや生命維持システムや安全システムの必要性から、無人探査に比べてはるかに高価になるでしょう。現在、有人潜水艇の運航には1日数万ドルの費用がかかります。

無人システムの使用は、広大な地域や人を寄せ付けない場所での活動において、より少ないコストとリスクでより良い探査の機会を提供します。遠隔操作や自律型の水中ビークルを使うことで、オペレーターは、氷の下の観察や水中機雷の探知など、人間には危険な作業を行う機会を得ることができるのです。

深海調査の技術はどのように進化してきたのでしょうか？

近年、センサーや計算機の進歩により、技術は飛躍的に進歩しました。水中で使用する音響センサーやソナーの小型化が大きく進んでいます。コンピューターも小型化、高性能化、省電力化が進んでいます。バッテリー技術や防水コネクタの研究も進んでいます。アディティブ・マニュファクチャリングと3Dプリンティングは、深海の高圧に耐える船体や部品をより低コストで製造するのにも役立っています。

また、従来の航行、定位、検知の方法に加え、より高度なアルゴリズムを用いた自律性の向上も大きく進展しています。例えば、機械学習アルゴリズムは、パイプラインのように静止しているものであれ、魚の群れのように移動しているものであれ、車両が物体を検知し分類するのに役立ちます。

遠隔操作や自律的な水中ビークルを使って、どのような発見がありましたか？

その一例が水中グライダーです。これは浮力駆動の自律型水中ビークルです。何カ月も水中にとどまることができます。水中を上下しながら、圧力、温度、塩分濃度のデータを収集することができるのです。これらはすべて、研究者が海洋で起こっている変化を理解するのに非常に役立ちます。

これらのプラットフォームのひとつは、2016年と2017年のほぼ1年間、マサチューセッツ州沿岸からアイルランドまで北大西洋を横断しました。その間に取得されたデータの量は、前例のないものだでした。ビークルのコストは約20万ドルです。オペレーターは遠隔操作でした。グライダーは8時間ごとに地表に現れ、GPSに接続され、「やあ、私はここにいるよ」と言い、乗組員は基本的に次のミッションの計画をグライダーに伝えました。もし乗組員付きの船がこれだけのデータをこれだけの時間収集するために派遣されたら、数百万ドルの費用がかかるでしょう。

2019年、研究者たちは自律型水中ビークルを使って、南極のスウェイツ氷河下の海底に関する貴重なデータを収集しました。

エネルギー企業もまた、海底の再生可能エネルギーや石油・ガスのインフラを点検・監視するために、遠隔操作や自律型の水中ビークルを利用しています。

テクノロジーはどこに向かっているのでしょうか？

水中システムは動きの遅いプラットフォームであるため、研究者が大量に配備できれば、広い海域をカバーするのに有利になります。このようなプラットフォームの調整と船団指向の自律性、そしてカメラ、ソナー、溶存酸素センサーなどの搭載センサーを使ったデータ収集の進歩に、多くの努力が払われています。車両の自律化を進めるもうひとつの側面は、リアルタイムでの水中での意思決定とデータ分析です。

潜水艇に関する研究の焦点は何ですか？

私のチームと私は、人間の監視を最小限に抑えた長期的な任務、つまり永続的な運用のための航行・任務計画アルゴリズムの開発に重点を置いています。その目的は、自律システムの展開における2つの主要な制約に対応することです。ひとつはバッテリーの寿命。もうひとつは未知の状況です。

バッテリーの寿命については、海中と海面での充電に取り組んでいます。海上での長期ミッションのために、自律的な展開、回収、充電、データ転送のためのツールを開発しています。未知の状況に対しては、障害物の認識と回避、さまざまな海流への適応に取り組んでいます。

変化する力学や部品の故障に適応するため、車両が変化を検知し、ミッションを継続・終了できるよう補正するための方法論に取り組んでいます。

これらの取り組みにより、環境条件の観測や未開拓地域のマッピングなど、長期的な海洋研究が可能になるのです。

本記事は、Nina Mahmoudian氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Titan submersible disaster underscores dangers of deep-sea exploration – an engineer explains why most ocean science is conducted with crewless submarines」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。