科学家估计，地球上超过 95% 的海洋从未被观测到，这意味着我们看到的地球海洋比我们看到的月球背面或火星表面还少。
长时间为水下相机供电（将其拴在研究船或派船为其电池充电）的高成本是阻碍广泛海底探索的一项艰巨挑战。
麻省理工学院的研究人员通过开发一种无电池无线水下相机，为克服这个问题迈出了重要一步，该相机的能效比其他海底相机高 100,000 倍。该设备即使在黑暗的水下环境中也能拍摄彩色照片，并通过水中无线传输图像数据。
自主摄像头由声音驱动。它将声波在水中传播的机械能转化为电能，为其成像和通信设备提供动力。在捕获和编码图像数据后，相机还使用声波将数据传输到重建图像的接收器。
因为它不需要电源，相机可以在检索前连续运行数周，使科学家能够在海洋的偏远地区搜索新物种。它还可用于捕捉海洋污染的图像或监测水产养殖场养殖的鱼类的健康和生长情况。
“对我个人而言，这款相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测方面。我们正在建立气候模型，但我们缺少来自 95% 以上海洋的数据。这项技术可以帮助我们建立更准确的气候模型，并更好地了解气候变化如何影响海底世界，”麻省理工学院媒体实验室电气工程和计算机科学系副教授兼信号动力学小组主任 Fadel Adib 说，以及有关该系统的新论文的高级作者。
加入 Adib 的还有共同主要作者和 Signal Kinetics 小组研究助理 Sayed Saad Afzal、Waleed Akbar 和 Osvy Rodriguez，以及研究科学家 Unsoo Ha，以及前小组研究人员 Mario Doumet 和 Reza Ghaffarivardavagh。该论文今天发表在Nature Communications上。
为了制造一个可以长时间自主运行的相机，研究人员需要一种可以在水下自行收集能量同时消耗很少电力的设备。
相机使用放置在其外部的压电材料制成的传感器获取能量。当对压电材料施加机械力时，压电材料会产生电信号。当穿过水中的声波撞击换能器时，它们会振动并将机械能转换为电能。
这些声波可能来自任何来源，例如过往的船只或海洋生物。相机存储收集到的能量，直到它积累到足以为拍摄照片和通信数据的电子设备供电。
为了尽可能降低功耗，研究人员使用了现成的超低功耗成像传感器。但这些传感器只捕捉灰度图像。而且由于大多数水下环境都没有光源，他们也需要开发一种低功率闪光灯。
“我们试图尽可能减少硬件，这对如何构建系统、发送信息和执行图像重建产生了新的限制。弄清楚如何做到这一点需要相当多的创造力，”阿迪布说。
他们使用红色、绿色和蓝色 LED 同时解决了这两个问题。当相机捕获图像时，它会点亮红色 LED，然后使用图像传感器拍摄照片。它对绿色和蓝色 LED 重复相同的过程。
Akbar 解释说，尽管图像看起来是黑白的，但红色、绿色和蓝色的光会在每张照片的白色部分反射。当图像数据在后处理中进行组合时，可以重建彩色图像。
“当我们还是美术课的孩子时，我们被告知可以使用三种基本颜色制作所有颜色。我们在计算机上看到的彩色图像也遵循同样的规则。我们只需要红色、绿色和蓝色——这三个通道——来构建彩色图像，”他说。
捕获图像数据后，它们将被编码为比特（1 和 0），并使用称为水下反向散射的过程一次一位地发送到接收器。接收器通过水将声波传输到相机，相机充当反射这些声波的镜子。相机要么将波反射回接收器，要么将其反射镜变为吸收器，使其不会反射回来。
发射器旁边的水听器可以感应信号是否从相机反射回来。如果它收到一个信号，那就是bit-1，如果没有信号，那就是bit-0。系统使用此二进制信息来重建和后处理图像。
“整个过程，因为它只需要一个开关即可将设备从非反射状态转换为反射状态，因此比典型的水下通信系统消耗的功率少五个数量级，”Afzal 说。
研究人员在几个水下环境中测试了相机。其中，他们拍摄了漂浮在新罕布什尔州池塘中的塑料瓶的彩色图像。他们还能够为非洲海星拍摄如此高质量的照片，以至于其手臂上的小结节清晰可见。该设备还可以有效地在一周的时间内在黑暗环境中对水下植物Aponogeton ulvaceus进行反复成像，以监测其生长情况。
现在他们已经展示了一个工作原型，研究人员计划增强该设备，使其在实际环境中的部署变得实用。他们希望增加相机的内存，以便实时拍摄照片、流式传输图像，甚至拍摄水下视频。
他们还想扩大相机的范围。他们成功地在距离接收器 40 米的地方传输了数据，但扩大该范围将使相机能够在更多的水下环境中使用。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程助理教授 Haitham Al-Hassanieh 说：“这将为低功耗物联网设备以及水下监测和研究领域的研究开辟巨大机遇。”
参考链接：MIT engineers build a battery-free, wireless underwater camera；Demi Xia编译
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