新鮮な空気：無人水上艇が湾岸地域の低酸素状態をマッピング
科学的方法は研究の基準として機能し、分析や調査プロジェクトを導きます。何世代にもわたる学生に教えられてきましたが、その手順は決して古いものではなく、技術の進歩によって研究者は各手順を開発・近代化し、時間、費用、さらには人命を節約しています。科学的方法の中間段階であるデータ収集も例外ではありません。多くのプロジェクトでは、過酷な環境や長期間にわたって収集された堅牢なデータセットが必要です。南ミシシッピ大学（USM）は、SeaTrac Systemsの協力を得て、メキシコ湾での低酸素症研究において自律型ソリューションを採用しました。
米国海洋大気庁（NOAA）を含むこのパートナーシップは、メキシコ湾の潜在的な低酸素状態と、それが地元の漁業や魚類個体群に及ぼす影響をマッピングしています。低酸素域、別名デッドゾーンは、栄養汚染により酸素濃度が低下した水域であり、水生生物に重大な影響を与えることがよくあります。この協力関係は最近、プロジェクトの第2段階を成功裏に完了し、以前の段階を基盤として概念実証を超え、複数のSP-48無人水上艇（USV）を展開しました。「大型調査船を使った非常に労力を要する原始的な作業です」とUSMのジェームズ・トンプソン氏は述べています。「私たちは無人艇の観点からアプローチしました。現在利用可能なツールで近代化できます。」
USVのピックアップトラック
この研究の主役は、SP-48 USVです。これは「太陽光発電」と「4.8メートル」の頭文字をとったものです。全長約15フィート、重量約650ポンドのこのUSVは、デッキ上の大型ソーラーパネルアレイで内蔵バッテリーを充電し、数ヶ月間24時間稼働することができます。沿岸域と沖合の両方で運用できるように設計されており、このプロジェクトの範囲内では、USVは5マイルから40マイルの距離まで航行可能です。「このボート自体は、データ収集のためのプラットフォームです」と、SeaTracのオペレーションおよび事業開発ディレクターであるホビー・ボシェンシュタイン氏は述べています。「私たちはこれをピックアップトラックに例えています。プラットフォーム自体は誰にとってもそれほど役に立つものではありません。重要なのは、搭載できるペイロードと、それらを迅速に交換して、ソナーユニット、水質センサー、海洋センサーなど、さまざまな機器を搭載できることです。」
SeaTrac SP-48 USV。写真提供：USM/SeaTrac Systems
プロジェクトの各段階を通して、SeaTracとUSMは、データ収集能力においてより汎用性と堅牢性を高めるために、USVに改良を加えました。「特に今回のプロジェクトでは」とボシェンシュタイン氏は付け加えました。「我々にとって大きな開発努力となったのは、ウインチと海底までのプロファイリングをサポートする機能でした。プロジェクト全体を通して、Starlink Miniのような追加の通信機能を搭載できたことは、当初から大きな進歩でした。」
「搭載できるものの種類が非常に豊富なんです。低酸素状態調査ミッション中に、カメラや衝突回避技術など、さまざまなものをテストしました。このボートの柔軟性の高さがよくわかりますね」とトンプソン氏は語った。「他にも、可能であれば音響流速データも収集しました。まさにピックアップトラックのようなものです。たくさんのものを搭載でき、バッテリーの容量と太陽光発電能力の高さから、まさにゲームチェンジャーと言えるでしょう。」
フェーズ1
プロジェクトの第一段階は、主に概念実証として、車両や各種センサー、そして必要なデータを収集する能力をテストした。「機能させるために調整すべき点について多くのことを学びました」とトンプソン氏は語った。「そして、それを実現できただけでなく、予想をはるかに上回る成果を上げることができました。」
論理的な流れとしては、より長時間の調査をテストし、さまざまなセンサー構成を評価し、複数の無人水上艇（USV）を異なる構成で同時に運用することだった。「私たちが学んだのは、この水上艇はこれだけの電力を供給できるにもかかわらず、それを十分に活用できていなかったということです」とトンプソン氏は付け加えた。センサーへの電力供給や充電をUSVで行うように変更したところ、収集できるデータ量に大きな違いが生じた。「センサーの電力に制限される必要がなくなったため、より多くのデータを収集できるようになりました。また、毎年訪れる特定の座標に到達するだけでなく、低酸素状態の境界が変化する場所を見つけ、追加のデータサンプルを取得することでその境界を絞り込むことができるという利点も明らかになりました。」
SeaTracはこのプロジェクトの初期段階から深く関わり、センサーを水面から海底まで運ぶためのウインチなどの新機能を開発しました。「低酸素マッピングにおいて非常に重要なのは、海底から1メートル以内までセンサーを届かせることです」とボシェンシュタイン氏は述べています。「そうしないと、重要なデータを見逃してしまうことになります。当社にとって大きな開発課題は、ゾンデが確実に海底まで届くようにするにはどうすればよいかということでした。USMチームと緊密に連携して様々な方法を検討し、最終的に、一連のソフトウェアパラメータを使用してラインのたるみを検出し、『音波は実際に海底にある。これ以上近づけない』と判断できるシステムを開発しました。」
「低酸素状態が漁業に及ぼす最大の影響を調べるとき、注目すべきは海底近くの層です。そこには海底に生息する生物がすべています。当然、彼らがそこから泳ぎ上がって脱出できなければ、代謝や生産性に影響が出るでしょう」とトンプソン氏は説明した。
「センサーを海底まで確実に設置し、海底層に到達したことを確認できたこと、そしてそれをリアルタイムで確認して、『はい、ここではまだ低酸素が検出されています。さらに南下して、酸素濃度の高い水域に戻る境界を探してみましょう』と判断できたことは、ミッションを臨機応変に調整し、必要なデータを確実に取得できたという点で非常に重要でした。」
水上のSP-48。写真提供：USM/SeaTrac Systems
SP-48が海上で撮影した映像。悪天候や野生動物の目撃情報などが含まれる。提供：USM/SeaTrac Systems
フェーズ2以降
第2段階では、USMは複数のSP-48を同時に展開し、陸上のオペレーター1名が監視した。運用エリアを通過する熱帯低気圧を含む厳しい湾岸環境下においても、長時間の航続時間、迅速な適応型サンプリング、プラットフォームの信頼性のおかげで、チームは123件の検証済み低酸素データポイントを収集した。
「私たちが毎回真剣に取り組んできたことの一つは、センサーの統合とデータフローの改善です」とトンプソン氏は述べた。「フェーズ1は、実施可能なテストに重点を置き、フェーズ2は、その実施方法を改善することでした。これには、データフローの処理速度の向上、センサーから船へのデータ送信、そして船から衛星経由で私たちのシステムへのデータ送信などが含まれており、これにより、航行中にリアルタイムでNOAAとデータを共有できるようになりました。」
トンプソン氏が指摘したもう 1 つの違いは、センサーが独自のペースで開発されているため、新しい機能を活用してデータ収集をさらに進めることができるという点です。「プロファイリング機器を製造している AML Oceanographic 社は、ワイヤレス充電機能を開発しました」とボシェンシュタイン氏は付け加えました。「従来は、『ゾンデの電源を入れてデータを収集し、取り外してスリープモードに戻す』という作業のバランスを取る必要がありましたが、これは難しく、最終的にはバッテリーが切れてしまいます。そのため、できることが制限されていました。」AML Oceanographic 社がこの新機能を展開したことで、USM チームは途中で新しいバッテリーに交換する必要がなくなり、より長い期間にわたる調査を延長できる可能性が生まれました。
「安全面でも問題があります」とトンプソン氏は付け加えた。「海上での車両整備作業から人員を削減できるわけですが、海上での整備作業自体が危険な状況なのです。」
無人水上艇（USV）の航路を追跡。提供：USM/SeaTrac Systems
湾岸地域を飛行するSeaTrac SP-48。写真提供：USM/SeaTrac Systems
今後の展望として、研究チームは再び夏にデータ収集を行い、3台目のSP-48をラインナップに加えることを目指している。データ処理面では、研究者たちは品質管理手順をさらに追加するための自動化開発を継続しており、調査エリア全体の溶存酸素の3Dモデルを追加することも検討している。
第3段階では、第1段階と第2段階の成果をさらに発展させ、重要な低酸素症データを収集するとともに、洋上でのデータ収集とモニタリングにおける無人水上艇（USV）の活用事例を明らかにします。さらに、このプロジェクトは、ワイヤレス充電、エネルギー管理、センサー搭載といった段階的な技術アップデートをリアルタイムで統合し、研究を近代化・発展させるという、あまり見られない事例を示しています。
ホビー・ボシェンシュタイン。写真提供：USM/SeaTrac Systems
ジェームズ・トンプソン。写真提供：USM/SeaTrac Systems
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