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

將水下攝像機(jī)固定在科考船上或派船為其充電，為其提供長時(shí)間動(dòng)力的高昂成本，是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，阻礙了廣泛的海底探索。

麻省理工學(xué)院的研究人員在克服這一問題上邁出了重要一步，他們開發(fā)了一種無需電池的無線水下相機(jī)，它的能源效率是其他水下相機(jī)的10萬倍左右。該設(shè)備即使在黑暗的水下環(huán)境中也能拍攝彩色照片，并通過水中無線傳輸圖像數(shù)據(jù)。

相機(jī)由聲音提供動(dòng)力。它將聲波中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為成像和通信設(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)浇邮掌鳎邮掌骺梢灾亟▓D像。

因?yàn)樗恍枰娫矗鄼C(jī)可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，然后再進(jìn)行檢索，使科學(xué)家能夠在海洋的偏遠(yuǎn)地區(qū)搜索新物種。它還可以用來捕捉海洋污染的圖像，或監(jiān)測(cè)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)飼養(yǎng)的魚類的健康和生長。

“對(duì)我個(gè)人來說，這款相機(jī)最令人興奮的應(yīng)用之一是在氣候監(jiān)測(cè)方面。我們正在建立氣候模型，但我們丟失了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精確的氣候模型，更好地理解氣候變化如何影響水下世界。”麻省理工學(xué)院電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授、麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室信號(hào)動(dòng)力學(xué)小組主任Fadel Adib說，他也是這篇論文的高級(jí)作者。

和Adib一起完成論文的還有信號(hào)動(dòng)力學(xué)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。這篇論文發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

為了制造一個(gè)能夠長時(shí)間自主工作的相機(jī)，研究人員需要一種能夠在水下自己收集能量，同時(shí)消耗很少電力的設(shè)備。

該相機(jī)通過放置在其外部的壓電材料制成的換能器來獲取能量。當(dāng)機(jī)械力施加在壓電材料上時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。當(dāng)聲波在水中傳播到換能器上時(shí)，換能器就會(huì)振動(dòng)，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

這些聲波可能來自任何來源，比如駛過的船只或海洋生物。相機(jī)將收集到的能量儲(chǔ)存起來，直到足夠?yàn)榕臄z照片和傳輸數(shù)據(jù)的電子設(shè)備提供能量。

為了保持盡可能低的功耗，研究人員使用了現(xiàn)成的超低功耗成像傳感器。但這些傳感器只能捕捉灰度圖像。由于大多數(shù)水下環(huán)境缺乏光源，他們也需要開發(fā)一種低功率的閃光燈。

“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)行圖像重建造成了新的限制。要想出如何做到這一點(diǎn)需要相當(dāng)多的創(chuàng)造力?！盇dib說。

他們同時(shí)用紅、綠、藍(lán)三色led解決了這兩個(gè)問題。當(dāng)相機(jī)捕捉到圖像時(shí)，它會(huì)照亮一個(gè)紅色LED，然后使用圖像傳感器拍攝照片。它用綠色和藍(lán)色LED重復(fù)同樣的過程。

Akbar解釋說，盡管照片看起來是黑白的，但每張照片的紅色、綠色和藍(lán)色的光都被反射到了白色的部分。將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行組合后處理，可以對(duì)彩色圖像進(jìn)行重構(gòu)。

“當(dāng)我們還是孩子的時(shí)候，在美術(shù)課上，我們被教導(dǎo)可以用三種基本顏色做出所有的顏色。同樣的規(guī)則也適用于我們?cè)陔娔X上看到的彩色圖像。我們只需要紅、綠、藍(lán)三種通道來構(gòu)建彩色圖像。”

用聲音發(fā)送數(shù)據(jù)

一旦捕獲圖像數(shù)據(jù)，它們將被編碼為比特（1和0），并使用水下反向散射（underwater backscatter）過程一次發(fā)送一個(gè)比特給接收方。接收器將聲波通過水傳遞到攝像機(jī)，攝像機(jī)就像一面鏡子一樣反射這些聲波。相機(jī)要么把波反射回接收器，要么把它的“鏡子”變成吸收器，這樣就不會(huì)反射回來。

發(fā)射器旁邊的水聽器可以感知從相機(jī)反射回來的信號(hào)。如果它接收到一個(gè)信號(hào)，那就是位-1，如果沒有信號(hào)，那就是位-0。該系統(tǒng)利用這些二進(jìn)制信息對(duì)圖像進(jìn)行重構(gòu)和后處理。

“由于整個(gè)過程只需要一個(gè)開關(guān)就能將設(shè)備從非反射狀態(tài)轉(zhuǎn)換為反射狀態(tài)，因此消耗的電能比典型的水下通信系統(tǒng)要少5個(gè)數(shù)量級(jí)。”Afzal說。

研究人員在幾種水下環(huán)境中測(cè)試了該相機(jī)。在其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，他們捕捉到了新罕布什爾州池塘中漂浮的塑料瓶的彩色圖像。他們還能夠拍攝到非洲海星的高質(zhì)量照片，甚至可以清楚地看到它手臂上的小結(jié)節(jié)。該設(shè)備還可以有效地在一周的黑暗環(huán)境中重復(fù)成像水下植物Aponogeton ulvaceus，以監(jiān)測(cè)其生長。

現(xiàn)在他們已經(jīng)演示了一個(gè)工作原型，研究人員計(jì)劃增強(qiáng)該設(shè)備，以便在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中部署。他們想要增加相機(jī)的內(nèi)存，這樣它就可以實(shí)時(shí)捕捉照片、流圖像，甚至拍攝水下視頻。

他們還想擴(kuò)大相機(jī)的拍攝范圍。他們成功地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄嚯x接收器40米的地方，但擴(kuò)大這個(gè)范圍將使相機(jī)能夠在更多的水下環(huán)境中使用。

信息源于：eurekalert

文章來源：21dB聲學(xué)人