Standardized benthic imaging with small, modular ROVs: an open-source framework developed in temperate kelp forests

يُعد قاع المحيط تحت غابات الكلب (Kelp) المعتدلة عالماً ذا أهمية بيولوجية هائلة، حيث يزخر بالأسماك واللافقاريات والحياة النباتية المعقدة التي تدعم أنظمة بيئية ساحلية بأكملة. ومع ذلك، فإن دراسة هذا العالم الخفي صعبة للغاية. فبينما يمكن رؤية القمم العائمة لغابات الكلب من الأقمار الصناعية أو الطائرات، تظل الحياة التي تنمو في قاع البحر محجوبة بالمياه المظلمة والعكرة والهيكل الرأسي الكثيف لنبات الكلب. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء على الغواصين البشر للسباحة في هذه الحدائق المائية، وعدّ الأنواع ورسم خرائط الموائل. ومع ذلك، يتقيد الغواصون بمدة بقائهم تحت الماء بأمان، والعمق الذي يمكنهم الوصول إليه، والمساحة التي يمكنهم تغطيتها في اليوم الواحد. ولفهم هذه البيئات الهشة حقاً، يحتاج الباحثون إلى وسيلة لرؤية المزيد، ولفترات أطول، وباتساق أكبر مما تسمح به الأرجل والرئات البشرية.

قام فريق من الباحثين في "سياتل أكواريوم" بتطوير حل عملي ومفتوح المصدر لهذه المشكلة: روبوت مائي صغير، معياري التصميم، صُمم خصيصاً لالتقاط صور معيارية لقاع البحر في هذه الظروف الصعبة. وبدلاً من بناء آلة ضخمة ومكلفة لاستكشاف أعماق البحار، قاموا بتكييف روبوت مدمج ومنخفض التكلفة للعمل في المياه الضحلة والمضطربة لغابات الكلب. وعلى مدار أربع سنوات، مروا بأربع نسخ مختلفة من الروبوت، حيث قاموا بتحسين أضواء النظام، وأنظمة الطاقة، وأدوات الملاحة لحل المشكلات المحددة المتعلقة بالتقاط صور واض गए في مياه مظلمة ومتحركة. نتج عن عملهم إطار عمل كامل ومتاح مجاناً يسمح للعلماء الآخرين وخبراء الحفظ بتكرار هذه المسوحات، محولين تحدياً هندسياً معقداً إلى طريقة قابلة للتكرار لمراقبة صحة الأنظمة البيئية الساحلية.

يكمن جوهر التحدي في البيئة نفسها. فغابات الكلب غالباً ما تكون مظلمة ومليئة بالجسيمات العالقة التي تشتت الضوء، مما يجعل من الصعب التقاط صور واضحة. علاوة على ذلك، تنمو نباتات الكلب من قاع البحر وصولاً إلى السطح، مما يخلق غابة كثيفة يمكن أن تشتبك فيها حبال الروبوت بسهماً. وللحصول على صورة مفيدة، يجب أن يحلق الروبوت بارتفاع ثابت تماماً فوق الأرض. فإذا حلق عالياً جداً، ستكون الصورة باهتة وضبابية؛ وإذا حلق منخفضاً جداً، ستخلق الأضواء ظلالاً غير متساوية أو سيثير الروبوت الرواسب. وجد الباحثون أن مجرد الحفاظ على عمق ثابت بالنسبة للسطح لم يكن كافياً، لأن قاع البحر نفسه يرتفع وينخفض. لقد احتاجوا إلى أن يتبع الروبوت تضاريس القاع، محافظاً على مسافة ثابتة من الأرض بغض النظر عما إذا كان يحلق فوق بقعة رملية مسطحة أو حافة صخرية.

ولتحقيق ذلك، طور الفريق وضع طيران متخصصاً يسمى "surftrak"، والذي يسمح للروبوت باستشعار المسافة إلى قاع البحر وتعديل ارتفاعه تلقائياً للبقاء عند هدف دقيق، وعادة ما يكون أقل من متر واحد فوق القاع. وقد أثبت هذا النظام فعالية ملحوظة، حيث أبقى الروبوت ضمن هامش خطأ ضيق للغاية خلال معظم وقت طيرانه. وهذا الاتساق أمر بالغ الأهمية لأنه يضمن أن كل صورة تغطي نفس المساحة تماماً من قاع البحر، مما يسمح للعلماء بعدّ الكائنات وقياس مدى انتشارها بدقة رياضية عبر المواقع والأوقات المختلفة. ولولا التحكم الآلي في الارتفاع، لكانت البيانات المجموعة متغيرة للغاية بحيث يصعب مقارنتها بشكل موثوق.

كانت الإضاءة هي العقبة الرئيسية التالية. ففي مياه شمال غرب المحيط الهادئ المظلمة والعكرة، لم تكن الأضواء القياسية تحت الماء كافية لالتقاط التفاصيل الدقيقة اللازمة للتمييز بين أنواع الطحالب والحياة البحرية الصغيرة. اختبر الباحثون عدة تجهيزات للإضاءة، وانتقلوا في النهاية من الأضواء البسيطة التي تعمل بالبطاريات إلى نظام يتم فيه تزويد الروبوت بالطاقة من بنك بطاريات كبير موجود على السفينة. سمح لهم هذا باستخدام أضواء أقوى بكثير وأكثر سطوعاً يمكن التحكم فيها مباشرة بواسطة كمبيوتر الروبوت. كما أعادوا تصميم أماكن وضع هذه الأضواء لتركيز الشعاع بدقة في المكان الذي تنظر إليه الكاميرا، مما قلل من التوهج الناتج عن الجسيمات في الماء. وكانت النتيجة نظاماً قادراً على التقاط صور عالية الدقة وحادة حتى في المياه ذات الرؤية المنخفضة جداً، مما يكشف عن الأنسجة والأنواع التي كانت ستكون غير مرئية في المسوحات السابقة الأقل تطوراً.

مثّل توفير الطاقة للروبوت لجلسات المسح الطويلة مجموعة أخرى من المقايضات. اعتمدت النسخ الأولى من الروبوت على بطاريات داخلية، مما حد من وقت الطيران وتطلب إخراج الروبوت إلى السطح لاستبدال البطاريات—وهي عملية تقطع عملية جمع البيانات وتتطلب إعادة تشغيل النظام بأكله. انتقل الفريق في النهاية إلى نظام طاقة مورد من السطح، حيث يتم إرسال الكهرباء عبر الكابل الواصل من القارب. أدى هذا التغيير إلى إطالة قدرة الروبوت على التحمل بشكل كبير، مما سمح له بالعمل لساعات دون انقطاع والتعامل مع متطلبات الطاقة الإضافية للأضواء الساطعة وأجهزة الاستشعار الملاحية المعقدة. وبينما تطلب نظام الطاقة من السطح استثماراً أولياً أكبر في المعدات، فقد ثبت أنه ضروري لإجراء المسوحات المتكررة وطويلة الأمد اللازمة للمراقبة العلمية الصارمة.

الملاحة في المياه الضحلة والصخرية صعبة للغاية بالنسبة للروبوتات المائية. فالأنظمة التقليدية التي تستخدم الموجات الصوتية لتحديد موقع الروبوت بالنسبة للقارب غالباً ما تواجه صعوبات في هذه البيئات لأن العمق الضحل والتضاريس الصخرية تخلق "ظلالاً صوتية" تحجب الإشارات. وجد الباحثون أن الاعتماد على طريقة ملاحة واحدة لم يكن كافياً. بدلاً من ذلك، قاموا بدمج البيانات من مستشعرات متعددة: جهاز يقيس سرعة الروبوت فوق القاع، ونظام يتتبع موقعه بالنسبة للقارب، وبوصلة. ومن خلال دمج هذه التدفقات المختلفة من المعلومات، استطاع الروبوت بناء صورة أكثر دقة لمكانه والمسار الذي سلكه. سمح هذا الدمج بين المستشعرات لهم بإعادة بناء المسار الدقيق الذي اتخذه الروبوت، وهو أمر حيوي لرسم خرائط المنطقة التي تم مسحها ولضمان إمكانية وضع البيانات على خريطة بدقة عالية.

ولجعل هذه التكنولوجيا متاحة لغير المتخصصين، بنى الفريق برنامجي كمبيوتر مجانيين يتوليان المهام الشاقة لإدارة البيانات. يقوم أحد البرنامجين بتوجيه الطيار خلال عملية الغوص، حيث يتحقق من عمل جميع المستشعرات قبل خروج الروبوت من القارب ويسجل كل تفاصيل الرحلة. أما البرنامج الآخر فيأخذ الصور ومقاطع الفيديو الخام من الروبوت ويقوم تلقائياً بتنظيمها، وتصحيح الإضاءة، وتجهيزها للتحليل. تقلل هذه الأدوات من الوقت والخبرة التقنية المطلوبة لتحويل يوم من الغوص إلى مجموعة من البيانات العلمية القابلة للاستخدام، مما يجعل من الممكن للمنظمات الصغيرة ومجموعات الحفظ اعتماد هذه الطريقة.

اختبر الباحثون نظامهم عبر عشرات أيام المسح في مواقع متنوعة، بما في ذلك خليج إليوت وجزر سان خوان، مغطين نطاقاً واسعاً من الظروف من الأيام الهادئة والصافية إلى المياه الريحية والمضطربة مع تيارات تصل سرعتها إلى ثلاث عقد. نجحوا في رسم خرائط للرواسب الناعمة، والشعاب المرجانية الصخرية، والمناطق ذات الكلب الكثيف، مما أثبت أن النظام يعمل في البيئات الواقعية حيث توجد غابات الكلب بالفعل. ووجدوا أنه بينما لا يستطيع الروبوت اختراق الأجزاء الأكثر كثافة من غطاء الكلب دون أن يشتبك، فإنه يمكنه مسح قاع البحر بفعالية تحت الكلب وفي المناطق التي يكون فيها الغطاء أقل كثافة. أثبت النظام متانة كافية للتعامل مع التحديات الفيزيائية للبيئة، بما في ذلك خطر اشتباك الكابل بأفرع الكلب بالقرب من السطح.

هذا العمل لا يحل محل الغواصين البشر، الذين يظلون ضروريين لمراقبة سلوكيات معينة والتنقل في الأجزاء الأكثر تعقيداً من غابة الكلب. بدلاً من ذلك، يوفر الروبوت نافذة تكميلية على العالم تحت الماء، مما يوسع المنطقة التي يمكن مسحها ويسمح بمراقبة متسقة وقابلة للتكرار بمرور الوقت. ومن خلال توفير دليل كامل ومفتوح المصدر للأجهزة والبرامج والأساليب المستخدمة، وضع الفريق نقطة انطلاق للآخرين للبناء عليها. يوفر إطار عملهم مساراً عملياً لتوسيع نطاق مراقبة غابات الكلب والأنظمة البيئية الساحلية الضحلة الأخرى، مما يضمن إمكانية مراقبة هذه الموائل الحيوية وحمايتها بالوضوح والاتساق اللذين تستحقهما.