MIT开发了一种不用电池的无线水下相机，能效提高10万倍

　　新智元报道

　　编辑： David 武穆

　　【新智元导读】 最近，麻省理工的研究人员打造了一款无需电池的无线水下相机，该设备可以帮助科学家探索未知的海洋区域、追踪污染或监测气候变化的影响。

　　科学家们估计，超过95%的地球海洋从未被观察过，这意味着我们所看到地球的海洋，比我们看到月球的背面或火星的表面还要少。

　　目前进行海洋探测，一般要将水下摄像机拴在研究船只上，或专门派出船只，为水下摄像机的电池充电，这种做法的成本太高，很大程度上阻碍了海底探索的扩展。

　　现在，麻省理工学院的研究人员已经向着克服这一问题迈出了重要一步，他们开发了一种不用电池的无线水下相机，其能源效率比其他水下相机高约10万倍。

图：麻省理工研发的无线水下相机

　　这台相机即使在黑暗的水下环境中也能拍摄彩色照片，并通过水中的无线传输图像数据。

　　这个相机是由声音驱动的。它将声波在水中传播的机械能转换为电能，为其成像和通信设备提供动力。在捕获和编码图像数据后，使用声波将数据传输到一个接收器上，重建图像。

图：水下反向散射成像原理示意

　　由于不需要电源，该相机可以在收回之前连续运行数周时间，使科学家能够在海洋的偏远地区搜寻新物种，还可以用来捕捉海洋污染的图像，或监测水产养殖场中饲养的鱼的健康和生长状况。

　　MIT媒体实验室电子工程和计算机科学系副教授兼信号动力学小组主任Fadel Adib是关于该相机的一篇新论文的通讯作者。

　　「对我个人来说，这种相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测。我们正在建立气候模型，但超过95%的海洋数据现在都是缺失的。这项技术可以帮助我们建立更准确的气候模型，更好地了解气候变化如何影响水下世界」。

　　与Adib一起撰写本论文的，还有共同第一作者Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, Osvy Rodriguez, Unsoo Ha等信号动力学小组的研究助理，以及研究科学家Unsoo Ha和小组前研究人员Mario Doumet和Reza Ghaffarivardavagh。

　　该论文今天发表在《自然·通信》上。

　　怎么做到不用电池

　　为了打造一台能够长期自主运行的相机，研究人员需要一个能够在水下自行收集能量的设备，同时只消耗很少的电力。

　　该相机使用由压电材料制成的传感器获取能量，传感器安装在相机外部。压电材料在受到机械力的作用时会产生电信号。当穿过水的声波接触传感器时，它们会振动，并将机械能转换成电能。

　　这些声波可能来自任何来源，如过往船只或海洋生物。照相机储存收获的能量，直到它积累到足以为拍摄照片和通信数据的电子装置供电。

　　图：副教授Fadel Adib和研究助理Waleed Akbar展示无电池水下相机

　　为了保持尽可能低的功耗，研究人员使用了超低功率成像传感器。但是这些传感器只能捕获灰度图像。而且，由于大多数水下环境缺乏光源，他们也需要开发一个低功率的闪光灯。

　　Adib说：「我们试图尽可能地减少硬件，这对如何建立系统、发送信息和进行图像重建带来了新的限制。我们费了很大脑筋才想出这个办法。」

　　研究人员使用红色、绿色和蓝色LED主动照明解决了这两个问题。

　　当相机要拍摄图像时，先用红色LED作为照明，使用图像传感器来拍摄照片。然后再分别用绿色和蓝色LED作为照明，再进行拍摄。

　　Akbar解释说，尽管图像看起来是黑白的，但红、绿、蓝三色的光在每张照片的白色部分都有反射。当图像数据在后期处理中被结合起来时，就可以重建彩色图像了。

图：主动照明下的水下反向散射成像

　　「当我们还是孩子的时候，在美术课上，老师就教我们，用三种基本颜色，就能制作出所有的颜色。对于我们在电脑上看到的彩色图像，也遵循同样的规则。我们只需要红色、绿色和蓝色这三原色，就可以构建彩色图像，」Akbar说。

　　如何用声音发送数据

　　一旦捕捉到图像数据，它们就被编码为比特（1和0），并通过一个称为水下反向散射的过程，一次一个比特地发送到接收器。

　　接收器将声波通过水传送到照相机，照相机就像一面镜子，反射这些波。

　　相机要么将波反射回接收器，要么将其镜子改为吸收器，这样就不会反射回来。

　　发射器旁边的一个水听器感知是否有信号从摄像机反射回来。

　　如果它收到一个信号，那就是位1，如果没有信号，那就是位0。该系统使用这种二进制信息来重建和后处理图像。

　　Sayed Saad Afzal说：「这整个过程，因为它只需要一个开关将设备从非反射状态转换为反射状态，所以比典型的水下通信系统消耗的功率要少五个数量级。」

　　研究人员在水下环境中测试了该相机。

　　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。

　　他们能够拍摄到非洲海星的高质量照片，其手臂上的小瘤子清晰可见。

　　该相机还能有效地在黑暗环境中对水下植物Aponogeton ulvaceus进行反复成像，并在一周内监测其生长。

图：使用水下反向散射成像获得的样品图像

　　现在，他们已经展示了一个工作原型，研究人员计划加强该设备，使其在现实世界环境中的部署是实用的。他们希望增加相机的内存，以便实时拍摄照片和运动图像，甚至拍摄水下视频。

　　未来，研究人员还想进一步扩大相机的使用范围。目前已经成功在离接收器40米的地方实现了数据传输，但未来打算这个范围推得更广，使相机能够在更多的水下环境中使用。

　　图：研究人员尝试扩大相机使用范围的实验结果

　　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开辟巨大的研究机会，很遗憾他没有参与这项研究。」

　　参考资料：

　　https://news.mit.edu/2022/battery-free-wireless-underwater-camera-0926

　　https://www.nature.com/articles/s41467-022-33223-x

Cleer HALO耳机：震撼音质带来极致体验

哈氪零度新款ICE LITE耳机 | 5.3蓝牙芯片 连接快且稳

thinkplus口袋全向麦：小巧玲珑一手掌握 随时随地开启商务娱乐生活

显示屏三国“洗牌”，有人“出局”，有人逆周期顺势崛起

并入字节后的首款产品，PICO能否凭借PICO 4成为Meta的对手？

微软将于10月12日发布Surface新品：Surface Pro 9、Surface Laptop 5

联想推出首款高适应性智慧商显产品——联想ThinkVison商用智慧屏

智能全彩夜视，内置高保真麦克风，有了它收快递也不是难事了