新智元報道
編輯： David 武穆
【新智元導讀】 最近，麻省理工的研究人員打造了一款無需電池的無線水下相機，該設備可以幫助科學家探索未知的海洋區域、追蹤污染或監測氣候變化的影響。
科學家們估計，超過95%的地球海洋從未被觀察過，這意味著我們所看到地球的海洋，比我們看到月球的背面或火星的表面還要少。
目前進行海洋探測，一般要將水下攝像機拴在研究船只上，或專門派出船只，為水下攝像機的電池充電，這種做法的成本太高，很大程度上阻礙了海底探索的擴展。
現在，麻省理工學院的研究人員已經向著克服這一問題邁出了重要一步，他們開發了一種不用電池的無線水下相機，其能源效率比其他水下相機高約10萬倍。
圖：麻省理工研發的無線水下相機
這臺相機即使在黑暗的水下環境中也能拍攝彩色照片，并通過水中的無線傳輸圖像數據。
這個相機是由聲音驅動的。它將聲波在水中傳播的機械能轉換為電能，為其成像和通信設備提供動力。在捕獲和編碼圖像數據后，使用聲波將數據傳輸到一個接收器上，重建圖像。
圖：水下反向散射成像原理示意
由于不需要電源，該相機可以在收回之前連續運行數周時間，使科學家能夠在海洋的偏遠地區搜尋新物種，還可以用來捕捉海洋污染的圖像，或監測水產養殖場中飼養的魚的健康和生長狀況。
MIT媒體實驗室電子工程和計算機科學系副教授兼信號動力學小組主任Fadel Adib是關于該相機的一篇新論文的通訊作者。
「對我個人來說，這種相機最令人興奮的應用之一是在氣候監測。我們正在建立氣候模型，但超過95%的海洋數據現在都是缺失的。這項技術可以幫助我們建立更準確的氣候模型，更好地了解氣候變化如何影響水下世界」。
與Adib一起撰寫本論文的，還有共同第一作者Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, Osvy Rodriguez, Unsoo Ha等信號動力學小組的研究助理，以及研究科學家Unsoo Ha和小組前研究人員Mario Doumet和Reza Ghaffarivardavagh。
該論文今天發表在《自然·通信》上。
怎么做到不用電池
為了打造一臺能夠長期自主運行的相機，研究人員需要一個能夠在水下自行收集能量的設備，同時只消耗很少的電力。
該相機使用由壓電材料制成的傳感器獲取能量，傳感器安裝在相機外部。壓電材料在受到機械力的作用時會產生電信號。當穿過水的聲波接觸傳感器時，它們會振動，并將機械能轉換成電能。
這些聲波可能來自任何來源，如過往船只或海洋生物。照相機儲存收獲的能量，直到它積累到足以為拍攝照片和通信數據的電子裝置供電。
圖：副教授Fadel Adib和研究助理Waleed Akbar展示無電池水下相機
為了保持盡可能低的功耗，研究人員使用了超低功率成像傳感器。但是這些傳感器只能捕獲灰度圖像。而且，由于大多數水下環境缺乏光源，他們也需要開發一個低功率的閃光燈。
Adib說：「我們試圖盡可能地減少硬件，這對如何建立系統、發送信息和進行圖像重建帶來了新的限制。我們費了很大腦筋才想出這個辦法。」
研究人員使用紅色、綠色和藍色LED主動照明解決了這兩個問題。
當相機要拍攝圖像時，先用紅色LED作為照明，使用圖像傳感器來拍攝照片。然后再分別用綠色和藍色LED作為照明，再進行拍攝。
Akbar解釋說，盡管圖像看起來是黑白的，但紅、綠、藍三色的光在每張照片的白色部分都有反射。當圖像數據在后期處理中被結合起來時，就可以重建彩色圖像了。
圖：主動照明下的水下反向散射成像
「當我們還是孩子的時候，在美術課上，老師就教我們，用三種基本顏色，就能制作出所有的顏色。對于我們在電腦上看到的彩色圖像，也遵循同樣的規則。我們只需要紅色、綠色和藍色這三原色，就可以構建彩色圖像，」Akbar說。
如何用聲音發送數據
一旦捕捉到圖像數據，它們就被編碼為比特（1和0），并通過一個稱為水下反向散射的過程，一次一個比特地發送到接收器。
接收器將聲波通過水傳送到照相機，照相機就像一面鏡子，反射這些波。
相機要么將波反射回接收器，要么將其鏡子改為吸收器，這樣就不會反射回來。
發射器旁邊的一個水聽器感知是否有信號從攝像機反射回來。
如果它收到一個信號，那就是位1，如果沒有信號，那就是位0。該系統使用這種二進制信息來重建和后處理圖像。
Sayed Saad Afzal說：「這整個過程，因為它只需要一個開關將設備從非反射狀態轉換為反射狀態，所以比典型的水下通信系統消耗的功率要少五個數量級?！?/p>
研究人員在水下環境中測試了該相機。
他們拍攝了漂浮在新罕布什爾州池塘中的塑料瓶的彩色圖像。
他們能夠拍攝到非洲海星的高質量照片，其手臂上的小瘤子清晰可見。
該相機還能有效地在黑暗環境中對水下植物Aponogeton ulvaceus進行反復成像，并在一周內監測其生長。
圖：使用水下反向散射成像獲得的樣品圖像
現在，他們已經展示了一個工作原型，研究人員計劃加強該設備，使其在現實世界環境中的部署是實用的。他們希望增加相機的內存，以便實時拍攝照片和運動圖像，甚至拍攝水下視頻。
未來，研究人員還想進一步擴大相機的使用范圍。目前已經成功在離接收器40米的地方實現了數據傳輸，但未來打算這個范圍推得更廣，使相機能夠在更多的水下環境中使用。
圖：研究人員嘗試擴大相機使用范圍的實驗結果
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校電氣和計算機工程助理教授Haitham Al-Hassanieh說：「這將為低功耗物聯網設備以及水下監測和研究開辟巨大的研究機會，很遺憾他沒有參與這項研究?！?/p>
參考資料：
https://news.mit.edu/2022/battery-free-wireless-underwater-camera-0926
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33223-x
