導讀

近日，美國伊利諾伊大學的研究人員模仿皮皮蝦眼睛，設計出一種受生物啟發的相機，用于采集偏振光信息。該研究首次展示了一種利用水下偏振光信息的新型水下全球定位系統，它將為水下導航系統以及理解海洋動物的遷徙行為，開啟新的可能性。

背景

全球衛星導航系統，例如美國GPS系統、中國北斗系統、俄羅斯格洛納斯系統、歐盟伽利略系統，都是基于衛星的無線電導航定位系統，可以為手機、電子產品、地面車輛、水面艦船、空中飛機，提供精準的定位與導航服務。

但是，衛星導航定位系統的信號是通過無線電波發送的，無線電波卻很難穿透厚厚水層。因而，在水下潛航的潛艇、無人潛航器無法直接利用全球衛星定位導航體系終端，來完成定位導航使命。

然而，聲波在水中進行觀察和測量時，具有得天獨厚的優勢：傳輸距離遠、穿透力強。科學家們往往借助聲波在水下的傳播特性，完成對于水下目標的探測、定位和通信。例如，筆者曾介紹過西班牙 IMDEA Networks 和以色列海法大學合作開發的水聲定位系統。

（圖片來源： IMDEA Networks）

除了無線電波和聲波，還有一種可用于定位導航的波，就是光波。偏振光導航是自然界中生物與生俱來的導航方法之一。許多動物，例如：螞蟻、蜜蜂、蟋蟀和候鳥，都有偏振光視覺系統，可利用太陽光在大氣中散射的偏振特性進行導航。

創新

今天，我們要重點介紹利用偏振光在水下進行定位導航。在人眼中，海水下的環境好似一幅平淡無奇的暗藍色畫面；可是在許多習慣水中生活的動物眼睛中，水下畫面是一幅具有偏振圖像的宏大景象。蝦蛄，又稱“皮皮蝦”，正是這樣一種習慣在水中生活的動物，它的眼睛可以采集到偏振光信息。

（圖片來源：維基百科）

美國伊利諾伊大學（University of Illinois）的研究人員模仿皮皮蝦眼睛設計出一種受生物啟發的相機，采集偏振光信息，開發出一種新型水下全球定位系統。該研究發表于《科學進展（Science Advances）》，首次展示了利用水下偏振光信息的水下無源全球定位系統。這項技術將為水下導航系統以及理解海洋動物的遷徙行為，打開新的可能性。

（圖片來源：Viktor Gruev）

技術

該相機是一種偏振光成像儀，以啟發它的皮皮蝦命名，稱為“皮皮蝦相機”（Mantis Cam）。當光線透過水面產生折射并在水中發生散射時，這種相機正好利用了光線折射或者散射的偏振特性。

（圖片來源：參考資料【2】）

這項研究的領頭人、伊利諾伊大學電氣與計算機工程系教授、Carle Illinois 醫學院教授 Viktor Gruev 表示：“我們與海洋生物學家一起，采集了全世界的水下偏振光數據，并注意到水中的偏振光圖像在持續改變。這完全不同于生物學家對于水下偏振光信息的想法，他們認為這些圖像是相機失靈引起的，而我們對于自己的技術非常有把握，我們知道這種現象能為進一步的研究提供線索。”

回到實驗室之后，Gruev 與論文合著者之一、研究生 Samuel Powell 認為，水下偏振圖像是太陽與圖像采集點之間的相對位置導致的。他們發現，水下偏振圖像可用于評估太陽的方位角和高度角，加上拍攝的日期和時間，就可以計算出他們所處的GPS坐標。

（圖片來源：參考資料【2】）

伊利諾伊大學貝克曼高級科學技術研究所成員 Gruev說：“通過將生物啟發的相機與電子羅盤以及傾角傳感器相結合，我們在全球不同地點、不同水下深度、不同氣流條件、不同時間測量水下偏振光數據，對我們的水下全球定位系統方案進行測試。我們發現，我們能在61千米精度范圍內，定位我們在地球上所處的位置。”

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

這項技術為人類和機器人采用偏振光的視覺線索，更好地在水下導航，打開新的途徑。Powell 表示：“我們能夠采用我們的水下全球定位系統幫助定位失蹤的航空器，甚至創建出海底的詳細地圖。裝備有我們的傳感器的機器人集群，可以提供水下遙感的低成本方案，比現有方案更劃算。”

這項研究也將帶來對于許多海洋物種的遷徙行為帶來新觀點。Gruev 表示：“例如，海龜和鰻魚等動物，很可能使用大量的傳感器，在跨越幾千英里海洋的旅程中，導航每年遷徙的路徑。這些傳感器也包含了磁力、嗅覺以及我們研究所闡述的基于偏振光信息的視覺線索。”

另一方面，這項技術有望幫助研究人員搞清楚，污染物是怎樣改變對偏振光敏感的動物的遷徙路徑的。Gruev 表示：“空氣和水中的污染物的增加很可能改變水下偏振光圖像，引起水下環境與許多動物已經學習到的環境不同。一些長距離遷徙動物，例如鯨魚，會發蒙和誤入歧途。”

Gruev 稱，例如更多的鯨魚變成在加州海岸滯留，這是我們之前從未觀察到的。他說：“也許，污染物是間接的罪魁禍首，因為它影響了遷徙行為所需的水下偏振光圖像。”