一台机器人正在南极海冰下巡航。另一台固定在格陵兰岛一处正在崩塌的冰川壁上。还有一台在偏远的海风吹拂的海滩上默默统计企鹅数量。
这些机器人附近，没有任何人类操作员。
在北极和南极各地，自主机器人正在改变科学家探索地球上最偏远、最恶劣环境的方式。这些机器人在水下、海面和空中作业，能够在数周乃至数月的时间里持续采集数据，通常深入那些对人类而言过于危险、代价太高或根本无法抵达的区域。
自主飞行器的广泛应用，让研究人员得以在一个仅仅十年前难以想象的规模上，对冰川、海洋、野生动物和气候过程实施监测。
英国南极调查局（BAS）海洋学家亚历克斯·布里尔利博士是借助这一技术的科学家之一。
"能在剑桥拿出手机，就向几千英里外南极洲正在作业的滑翔机发送指令，这感觉真的很酷。"
布里尔利负责管理几台在南极半岛罗瑟拉研究站附近赖德湾作业的自主水下滑翔机。
这些鱼雷形状的飞行器不依靠发动机或螺旋桨，而是通过改变自身浮力在水中缓慢滑行，定期浮出水面获取GPS定位、传输数据并接收新指令。凭借精细的电源管理，它们能在海上持续运行数月。
这些滑翔机负责监测冰川崩解入海时产生的强烈波浪，这些波浪能将热量和营养物质混合进水柱，同时将碳带入更深的水域。
这种被称为"内部海啸"的现象最初由科考船发现，而自主滑翔机现在能提供更长时间、更高精度的观测数据。
"滑翔机随后作为观测同类过程的手段介入，但分辨率要高得多，"布里尔利说，"关键在于任务的持久性——这是科考船在不耗费巨额资金的情况下无法做到的。"
阵列系统
自主系统之所以被广泛采用，原因之一在于它们能够在对人类构成不可接受风险的环境中工作。
BAS的GIANT项目（格陵兰冰盖至大西洋临界点研究）就是一个典型案例，该项目研究温暖的海水如何融化格陵兰的冰川，综合运用了九套自主系统，其中包括那艘名为"萌萌的船脸"的黄色自主潜水艇。
其中最与众不同的是Meltstake——一种设计用来直接附着在冰川壁上的自动化科学平台。
Meltstake由自主船只运送，再由遥控水下飞行器定位，将自身拧入水线以下100至200米处的冰川壁，并随着冰川融化逐渐向前推进。
它配备了摄像头、水听器和声学仪器，从任何人类科学家都无法安全驻留的位置，持续测量海水与冰川的相互作用。
这套系统正在帮助研究人员探究为何现有气候模型似乎低估了冰川融化的速度。
俄勒冈州立大学的埃琳·佩蒂特教授认为，冰川本身在这一过程中扮演的角色比以往认识的更为主动。
"冰川里充满了微小的加压气泡，这些气泡在释放到水中时会嘶嘶作响并破裂。气泡喷出时会扰动流体的边界层，"佩蒂特解释道，"这会形成一种混乱的湍流，产生更多能量，进而反馈加速冰川融化。"
自主航空系统同样正在变革野生动物监测方式。
在南奥克尼群岛的锡尼岛，BAS海鸟生物学家诺曼·拉特克利夫博士部署了一台"箱中无人机"，常年驻守南极。
这台无人机住在一个防护停靠站内，在两次任务之间于此充电，然后对企鹅群落执行预设程序的调查飞行。剑桥的科学家可以全年远程安排飞行计划，即便岛上没有任何研究人员，也能监测企鹅的繁殖活动。
"如果能从剑桥安全地操控设备，我们几乎可以在一年中任何时间开展调查，不受驻站人员数量的限制，"拉特克利夫说，"在执行重复性调查任务方面，这是一种极为高效的方式，尤其是在人手不足或缺乏训练有素飞手的情况下。"
该系统未来还有望将监测范围拓展至更为偏远、已数十年未被详细调查的企鹅群落。
自主水面飞行器也在海上提供类似的长期观测服务。
BAS生物海洋学家索菲·菲尔丁博士使用一艘两米长的"帆浮标"监测南乔治亚岛附近的南极磷虾。
这艘小型自主船靠风能和太阳能驱动，搭载一台能探测水面以下数百米磷虾分布的回声探测仪，并通过卫星实时回传数据。与科考船不同，帆浮标能在海上停留数月，同时几乎不产生碳排放。
"对于像帆浮标这样低复杂度的平台，你大概会希望部署一整群——一群帆浮标追踪一群磷虾，"菲尔丁说。
固定翼无人机也已成为极地科学家的重要工具。
轻型eBee X无人机可以装进背包带到野外，由手工抛掷起飞，执行时长最长90分钟的全自主调查飞行。在南乔治亚岛，BAS研究人员已获授权在超视距条件下飞行该无人机，从而得以调查分布在偏远海岸线上的野生动物群落。
负责BAS地理信息工作的内森·芬尼表示，这一方式大幅扩展了科学家可研究的区域范围。
"传统小型无人机作业通常在所谓'目视视距'（VLOS）范围内进行，要求无人机在飞行中始终处于飞手约500米范围内，"芬尼说，"通过使用eBee X等平台实现'超视距'（BVLOS）作业，我们能够调查面积更大的区域，潜在覆盖范围可达数公里，还能到达陆路无法抵达的调查目标，从而能够最大程度地记录南乔治亚岛规模最大、位置最偏远的野生动物群落。"
由此获得的影像，让科学家得以开发出利用三维地形模型而非单张照片统计野生动物数量的新方法。这些调查证实，南乔治亚岛最大的王企鹅群落已增长至超过13.2万对繁殖对，同时也揭示了禽流感疫情过后南象海豹数量的大幅下降。
大型自主飞行器也正在开始改变南极地质学研究。
Windracers ULTRA无人机翼展达10米，最大有效载荷60公斤，无需机载飞行员即可飞行近1000公里。
对于BAS地质学家汤姆·乔丹博士来说，这意味着过去需要载人飞机执行的地质调查，如今越来越多地可以自主完成。
该无人机搭载雷达、磁力计和重力计等仪器，用于探测南极冰盖下隐藏的岩石构造。
"多年来，仪器太重，无人机太小。现在两者已经交汇——传感器足够轻，无人机也足够强，将它们用于正式的南极科学研究终于成为现实，"乔丹解释道。
"通过将调查转移到无人机上，我们只需极少的燃料和后勤支持就能完成同样的科研任务。原本一架大型飞机需要200桶燃料，用Windracer可能只需要20桶。用无人机执行调查，还能让我们的双水獭飞机腾出来执行其他关键任务——支持野外队伍或搭载更大型传感器开展调查，从而充分发挥所有资产的价值。"
尽管自主系统发展迅猛，BAS研究人员并不认为机器人会取代科学家。
相反，他们认为机器人正在填补卫星太空观测与科学家实地工作之间的空白。
BAS科学主任佩特拉·海尔教授认为，人工智能将在协调这些不同信息来源方面发挥越来越重要的作用。
"人工智能能够告诉我们科学研究中存在哪些盲点。它能汇聚卫星数据、模型和历史测量数据，突出显示不确定性最高的区域。你需要人工智能来管理数据、引导平台部署，并随着环境和技术的变化不断调整任务方案。"
即便如此，仍有一些任务是机器人无法胜任的。
正如拉特克利夫所指出的："据我所知，还没有任何无人机能够捕捉一只企鹅、为它称重并打上标记，或者收集它们的粪便来分析它们吃了什么。"
Q&A
Q1：BAS在南极使用的自主水下滑翔机主要监测什么？
A：这些自主水下滑翔机主要监测冰川崩解入海时产生的"内部海啸"现象——即强烈的内部波浪如何将热量和营养物质混合进水柱，同时将碳带入更深的水域。与科考船相比，滑翔机能以更高分辨率持续数月观测同类过程，且成本远低于科考船长期作业所需的高昂费用。
Q2：Meltstake是什么设备，它如何附着在冰川上工作？
A：Meltstake是一种自动化科学平台，由自主船只运送至目标位置，再由遥控水下飞行器辅助定位，将自身拧入冰川水线以下100至200米处的冰壁，并随冰川融化逐渐向前推进。它配备摄像头、水听器和声学仪器，持续测量海水与冰川的相互作用，帮助研究人员探究现有气候模型低估冰川融化速度的原因。
Q3：eBee X无人机在南乔治亚岛的野生动物调查中有哪些具体发现？
A：借助eBee X无人机的超视距飞行能力，科学家获取了高精度影像，并开发出基于三维地形模型统计野生动物数量的新方法。调查最终确认，南乔治亚岛最大的王企鹅群落已增长至超过13.2万对繁殖对；与此同时，调查也揭示了禽流感疫情后南象海豹数量出现大幅下降的情况。