MIT打造不需要電池的水下攝像機，能效提高10萬倍！

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David 武穆

【新智元導讀】

最近，麻省理工的研究人員打造了一款無需電池的無線水下相機，該裝置可以幫助科學家探索未知的海洋區域、追蹤汙染或監測氣候變化的影響。

科學家們估計，超過95%的地球海洋從未被觀察過，這意味著我們所看到地球的海洋，比我們看到月球的背面或火星的表面還要少。

目前進行海洋探測，一般要將水下攝像機拴在研究船隻上，或專門派出船隻，為水下攝像機的電池充電，這種做法的成本太高，很大程度上阻礙了海底探索的擴充套件。

現在，麻省理工學院的研究人員已經向著克服這一問題邁出了重要一步，他們開發了一種不用電池的無線水下相機，其能源效率比其他水下相機高約10萬倍。

圖：麻省理工研發的無線水下相機

這臺相機即使在黑暗的水下環境中也能拍攝彩色照片，並透過水中的無線傳輸影象資料。

這個相機是由聲音驅動的。它將聲波在水中傳播的機械能轉換為電能，為其成像和通訊裝置提供動力。在捕獲和編碼影象資料後，使用聲波將資料傳輸到一個接收器上，重建影象。

圖：水下反向散射成像原理示意

由於不需要電源，該相機可以在收回之前連續執行數週時間，使科學家能夠在海洋的偏遠地區搜尋新物種，還可以用來捕捉海洋汙染的影象，或監測水產養殖場中飼養的魚的健康和生長狀況。

MIT媒體實驗室電子工程和計算機科學系副教授兼訊號動力學小組主任Fadel Adib是關於該相機的一篇新論文的通訊作者。

「對我個人來說，這種相機最令人興奮的應用之一是在氣候監測。我們正在建立氣候模型，但超過95%的海洋資料現在都是缺失的。這項技術可以幫助我們建立更準確的氣候模型，更好地瞭解氣候變化如何影響水下世界」。

與Adib一起撰寫本論文的，還有共同第一作者Sayed Saad Afzal， Waleed Akbar， Osvy Rodriguez， Unsoo Ha等訊號動力學小組的研究助理，以及研究科學家Unsoo Ha和小組前研究人員Mario Doumet和Reza Ghaffarivardavagh。

該論文今天發表在《自然·通訊》上。

怎麼做到不用電池

為了打造一臺能夠長期自主執行的相機，研究人員需要一個能夠在水下自行收集能量的裝置，同時只消耗很少的電力。

該相機使用由壓電材料製成的感測器獲取能量，感測器安裝在相機外部。壓電材料在受到機械力的作用時會產生電訊號。當穿過水的聲波接觸感測器時，它們會振動，並將機械能轉換成電能。

這些聲波可能來自任何來源，如過往船隻或海洋生物。照相機儲存收穫的能量，直到它積累到足以為拍攝照片和通訊資料的電子裝置供電。

圖：副教授Fadel Adib和研究助理Waleed Akbar展示無電池水下相機

為了保持儘可能低的功耗，研究人員使用了超低功率成像感測器。但是這些感測器只能捕獲灰度影象。而且，由於大多數水下環境缺乏光源，他們也需要開發一個低功率的閃光燈。

Adib說：「我們試圖儘可能地減少硬體，這對如何建立系統、傳送資訊和進行影象重建帶來了新的限制。我們費了很大腦筋才想出這個辦法。」

研究人員使用紅色、綠色和藍色LED主動照明解決了這兩個問題。

當相機要拍攝影象時，先用紅色LED作為照明，使用影象感測器來拍攝照片。然後再分別用綠色和藍色LED作為照明，再進行拍攝。

Akbar解釋說，儘管影象看起來是黑白的，但紅、綠、藍三色的光在每張照片的白色部分都有反射。當影象資料在後期處理中被結合起來時，就可以重建彩色影象了。

圖：主動照明下的水下反向散射成像

「當我們還是孩子的時候，在美術課上，老師就教我們，用三種基本顏色，就能製作出所有的顏色。對於我們在電腦上看到的彩色影象，也遵循同樣的規則。我們只需要紅色、綠色和藍色這三原色，就可以構建彩色影象，」Akbar說。

如何用聲音傳送資料

一旦捕捉到影象資料，它們就被編碼為位元（1和0），並透過一個稱為水下反向散射的過程，一次一個位元地傳送到接收器。

接收器將聲波透過水傳送到照相機，照相機就像一面鏡子，反射這些波。

相機要麼將波反射回接收器，要麼將其鏡子改為吸收器，這樣就不會反射回來。

發射器旁邊的一個水聽器感知是否有訊號從攝像機反射回來。

如果它收到一個訊號，那就是位1，如果沒有訊號，那就是位0。該系統使用這種二進位制資訊來重建和後處理影象。

Sayed Saad Afzal說：「這整個過程，因為它只需要一個開關將裝置從非反射狀態轉換為反射狀態，所以比典型的水下通訊系統消耗的功率要少五個數量級。」

研究人員在水下環境中測試了該相機。

他們拍攝了漂浮在新罕布什爾州池塘中的塑膠瓶的彩色影象。

他們能夠拍攝到非洲海星的高質量照片，其手臂上的小瘤子清晰可見。

該相機還能有效地在黑暗環境中對水下植物Aponogeton ulvaceus進行反覆成像，並在一週內監測其生長。

圖：使用水下反向散射成像獲得的樣品影象

現在，他們已經展示了一個工作原型，研究人員計劃加強該裝置，使其在現實世界環境中的部署是實用的。他們希望增加相機的記憶體，以便實時拍攝照片和運動影象，甚至拍攝水下影片。

未來，研究人員還想進一步擴大相機的使用範圍。目前已經成功在離接收器40米的地方實現了資料傳輸，但未來打算這個範圍推得更廣，使相機能夠在更多的水下環境中使用。

圖：研究人員嘗試擴大相機使用範圍的實驗結果

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校電氣和計算機工程助理教授Haitham Al-Hassanieh說：「這將為低功耗物聯網裝置以及水下監測和研究開闢巨大的研究機會，很遺憾他沒有參與這項研究。」

參考資料：

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

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