高空平台站（HAPS）是通信、探测和监视的有效工具，因为它们在平流层工作，通常在地球上空12英里（20公里）左右，比卫星距离地球近得多。有两种类型的HAPS：比空气轻的（LTA）HAPS，如高空气球，和比空气重的（HTA）HAPS，如固定翼高空飞机。

LTA-HAPS通常是太阳能驱动的无人气球，使用氢气或氦气等气体--因此，它依靠比空气轻来维持浮力。但是，它们受制于风的影响。LTA-HAPS保持其位置的方式依赖于自然发生的现象和人工智能之间的复杂互动。

HAPS结合了飞机的灵活性和卫星的持久性。出于这个原因，它们可用于高空通信，如电话和互联网服务或电台广播，也可用于地球观测和军事情报收集、侦察和监视（IRS）。

为了从平流层向世界上难以到达的地方提供互联网连接，Alphabet公司的子公司Loon花了九年时间与Google大脑合作开发了能实现这一目标的LTA-HAPS技术。

依靠太阳能、无螺旋桨、无人驾驶的气球来提供这些类型的服务有明显的挑战；主要的挑战是天气，这一点无法控制。气球需要能够长期承受大风和巨大的温度波动，同时提供与地面的持续连接。仅仅依靠天气预报可能是危险的，因为它们往往是错误的。

此外，气球没有一个无限的机载能源。它依靠太阳为导航和通信提供能量，因此，如果气球被吹偏了，让它自己纠正，是对宝贵能量的浪费。

研究科学家马洛斯-马查多是开发该技术的团队的一员，以确保气球以最大的效率完成它所设计的工作。

"我们希望气球处于一个特定的位置，"马查多说。"不过，有一个问题。这些气球的问题是，它们没有推进器。它们[可以]在平流层中导航的唯一方法是乘风而行。"

马查多所说的"乘风而行"，是指气球利用风的强度、高度和方向来保持所需的位置--称为驻留--或前往一个新的位置。

这些气球是巨大的，最小也有一个网球场那么大。在平流层中，风以不同的高度和速度吹向不同的方向，在控制自己的运动方面，气球被限制在两个方向：向上和向下。

"我们的概念是，你在气球内有一些比空气轻的气体，也就是说，如果你只是让气球自己离开，气球[将]上升，"马查多说。"如果你想让气球下沉--下沉--你所要做的就是把空气打入气球。它有一个固定的体积，这意味着在相同的体积下它更重。"

将比空气轻的气体引入气球内的一个囊中，使其上升到将其移动到正确位置所需的风流中。如果气球需要下降，以便它可以被风带到不同的方向，环境空气被泵入一个固定的"信封"，该"信封"位于气球的底座内，以提供压载物，或者在LTA囊上打开一个阀门，排出一些气体，使气球变得更重。

为了在一定程度上控制这种有限的可操作性，研究人员开发了一个强化学习人工智能，以奖励气球的行为。一个模拟器将天气预报与观察到的天气数据和高斯过程相结合，以提供最佳的风向预测。如果气球的反应"正确"，它就会得到奖励。然而，大自然是奇妙的，偶尔，风会赢。

"有时你什么也做不了，"马查多说。"如果风向对你不利，你除了等待好的风向出现之外，什么也做不了。"

最终，这项研究取得了成功。2017年，在秘鲁发生洪水和波多黎各发生重大飓风后，该团队利用气球为数十万人提供紧急连接。

不幸的是，多年的开发被证明是一项昂贵的工作，2021年，Loon在公司被关闭后停止了他们的LTA-HAPS工作。其他公司已经接过了这个衣钵，继续开发他们自己的LTA-HAPS，用于应急通信、灾难恢复、提供私人无线网络和扩展海上覆盖。

马查多及其同事的研究发表在《自然》杂志上。