該設(shè)備可以幫助科學(xué)家探索未知的海洋區(qū)域、追蹤污染或監(jiān)測(cè)氣候變化的影響。

科學(xué)家估計(jì)，地球上超過(guò) 95% 的海洋從未被觀測(cè)到，這意味著我們看到的地球海洋比我們看到的月球背面或火星表面還少。

長(zhǎng)時(shí)間為水下相機(jī)供電（將其拴在研究船或派船為其電池充電）的高成本是阻礙廣泛海底探索的一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn)。

麻省理工學(xué)院的研究人員通過(guò)開(kāi)發(fā)一種無(wú)電池?zé)o線水下相機(jī)，為克服這個(gè)問(wèn)題邁出了重要一步，該相機(jī)的能效比其他海底相機(jī)高 100,000 倍。該設(shè)備即使在黑暗的水下環(huán)境中也能拍攝彩色照片，并通過(guò)水中無(wú)線傳輸圖像數(shù)據(jù)。

自主攝像頭由聲音驅(qū)動(dòng)。它將聲波在水中傳播的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為其成像和通信設(shè)備提供動(dòng)力。在捕獲和編碼圖像數(shù)據(jù)后，相機(jī)還使用聲波將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街亟▓D像的接收器。 

因?yàn)樗恍枰娫?，相機(jī)可以在檢索前連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，使科學(xué)家能夠在海洋的偏遠(yuǎn)地區(qū)搜索新物種。它還可用于捕捉海洋污染的圖像或監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖的魚(yú)類(lèi)的健康和生長(zhǎng)情況。

“對(duì)我個(gè)人而言，這款相機(jī)令人興奮的應(yīng)用之一是在氣候監(jiān)測(cè)方面。我們正在建立氣候模型，但我們?nèi)鄙賮?lái)自 95% 以上海洋的數(shù)據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助我們建立更準(zhǔn)確的氣候模型，并更好地了解氣候變化如何影響海底世界，”麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授兼信號(hào)動(dòng)力學(xué)小組主任 Fadel Adib 說(shuō)，以及有關(guān)該系統(tǒng)的新論文的作者。

加入 Adib 的還有共同主要作者和 Signal Kinetics 小組研究助理 Sayed Saad Afzal、Waleed Akbar 和 Osvy Rodriguez，以及研究科學(xué)家 Unsoo Ha，以及前小組研究人員 Mario Doumet 和 Reza Ghaffarivardavagh。該論文今天發(fā)表在Nature Communications上。

無(wú)需電池

為了制造一個(gè)可以長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行的相機(jī)，研究人員需要一種可以在水下自行收集能量同時(shí)消耗很少電力的設(shè)備。

相機(jī)使用放置在其外部的壓電材料制成的傳感器獲取能量。當(dāng)對(duì)壓電材料施加機(jī)械力時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。當(dāng)穿過(guò)水中的聲波撞擊換能器時(shí)，它們會(huì)振動(dòng)并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

這些聲波可能來(lái)自任何來(lái)源，例如過(guò)往的船只或海洋生物。相機(jī)存儲(chǔ)收集到的能量，直到它積累到足以為拍攝照片和通信數(shù)據(jù)的電子設(shè)備供電。

為了盡可能降低功耗，研究人員使用了現(xiàn)成的超低功耗成像傳感器。但這些傳感器只捕捉灰度圖像。而且由于大多數(shù)水下環(huán)境都沒(méi)有光源，他們也需要開(kāi)發(fā)一種低功率閃光燈。

“我們?cè)噲D盡可能減少硬件，這對(duì)如何構(gòu)建系統(tǒng)、發(fā)送信息和執(zhí)行圖像重建產(chǎn)生了新的限制。弄清楚如何做到這一點(diǎn)需要相當(dāng)多的創(chuàng)造力，”阿迪布說(shuō)。

他們使用紅色、綠色和藍(lán)色 LED 同時(shí)解決了這兩個(gè)問(wèn)題。當(dāng)相機(jī)捕獲圖像時(shí)，它會(huì)點(diǎn)亮紅色 LED，然后使用圖像傳感器拍攝照片。它對(duì)綠色和藍(lán)色 LED 重復(fù)相同的過(guò)程。

Akbar 解釋說(shuō)，盡管圖像看起來(lái)是黑白的，但紅色、綠色和藍(lán)色的光會(huì)在每張照片的白色部分反射。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)在后處理中進(jìn)行組合時(shí)，可以重建彩色圖像。

“當(dāng)我們還是美術(shù)課的孩子時(shí)，我們被告知可以使用三種基本顏色制作所有顏色。我們?cè)谟?jì)算機(jī)上看到的彩色圖像也遵循同樣的規(guī)則。我們只需要紅色、綠色和藍(lán)色——這三個(gè)通道——來(lái)構(gòu)建彩色圖像，”他說(shuō)。

用聲音發(fā)送數(shù)據(jù)

捕獲圖像數(shù)據(jù)后，它們將被編碼為比特（1 和 0），并使用稱為水下反向散射的過(guò)程一次一位地發(fā)送到接收器。接收器通過(guò)水將聲波傳輸?shù)较鄼C(jī)，相機(jī)充當(dāng)反射這些聲波的鏡子。相機(jī)要么將波反射回接收器，要么將其反射鏡變?yōu)槲掌鳎蛊洳粫?huì)反射回來(lái)。

發(fā)射器旁邊的水聽(tīng)器可以感應(yīng)信號(hào)是否從相機(jī)反射回來(lái)。如果它收到一個(gè)信號(hào)，那就是bit-1，如果沒(méi)有信號(hào)，那就是bit-0。系統(tǒng)使用此二進(jìn)制信息來(lái)重建和后處理圖像。

“整個(gè)過(guò)程，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)開(kāi)關(guān)即可將設(shè)備從非反射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為反射狀態(tài)，因此比典型的水下通信系統(tǒng)消耗的功率少五個(gè)數(shù)量級(jí)，”Afzal 說(shuō)。

研究人員在幾個(gè)水下環(huán)境中測(cè)試了相機(jī)。其中，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。他們還能夠?yàn)榉侵藓Ｐ桥臄z如此高質(zhì)量的照片，以至于其手臂上的小結(jié)節(jié)清晰可見(jiàn)。該設(shè)備還可以有效地在一周的時(shí)間內(nèi)在黑暗環(huán)境中對(duì)水下植物Aponogeton ulvaceus進(jìn)行反復(fù)成像，以監(jiān)測(cè)其生長(zhǎng)情況。

現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了一個(gè)工作原型，研究人員計(jì)劃增強(qiáng)該設(shè)備，使其在實(shí)際環(huán)境中的部署變得實(shí)用。他們希望增加相機(jī)的內(nèi)存，以便實(shí)時(shí)拍攝照片、流式傳輸圖像，甚至拍攝水下視頻。

他們還想擴(kuò)大相機(jī)的范圍。他們成功地在距離接收器 40 米的地方傳輸了數(shù)據(jù)，但擴(kuò)大該范圍將使相機(jī)能夠在更多的水下環(huán)境中使用。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授 Haitham Al-Hassanieh 說(shuō)：“這將為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及水下監(jiān)測(cè)和研究領(lǐng)域的研究開(kāi)辟巨大機(jī)遇?！辈粎⑴c這項(xiàng)研究。

這項(xiàng)研究得到了海軍研究辦公室、斯隆研究獎(jiǎng)學(xué)金、科學(xué)基金會(huì)、麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室和海洋利用 Doherty 主席的部分支持。