這種新的超低功率成像方法，采用了水下後向散射成像。

上圖：麻省理工學院的工程師建造了一個無電池無線水下相機，可以幫助科學家探索未知的海洋區域、追蹤污染或監測氣候變化的影響。

根據發表在《自然通訊》雜志上的一篇新論文，麻省理工學院的工程師們制造了一種無線、無電池的水下攝像機，它能夠在消耗非常少的電力的情況下自己收集能量。該系統可以拍攝遠程水下物體的彩色照片（即使是在黑暗的環境中），并将數據無線傳輸，用于實時監測水下環境，幫助發現新的稀有物種或監測洋流、污染或商業和軍事行動。

我們已經有了拍攝水下圖像的各種方法，但根據作者的說法，“大多數海洋和海洋生物還沒有被觀察到。”部分原因是，大多數現有的方法都需要拴在船舶、水下無人機或發電機上才能獲得電力和通信。那些不使用栓系的方法，必須結合電池的能量，這也限制了它們的使用壽命。雖然原則上可以從海浪、水下洋流甚至陽光中獲取能量，但增加必要的設備将導緻體積更大、價格更貴的水下相機。

因此，麻省理工學院的團隊着手開發一種無需電池的無線成像方法。設計目标是盡可能減少所需的硬件。例如，由于他們想要将功耗降到最低，麻省理工學院的團隊就使用了廉價的現成成像傳感器。這種傳感器隻能産生灰度圖像。該團隊還需要開發一種低功率的閃光燈，因為大多數水下環境沒有太多的自然光。

上圖：水下反向散射成像系統如何工作的概述。

解決這兩個挑戰的方法是結合紅色、綠色和藍色LED。攝像機使用紅色LED進行現場照明，用傳感器捕捉圖像，然後用綠色和藍色LED重複這一過程。根據作者的說法，圖像看起來可能是黑白的，但LED發出的三種顔色的光在每張圖像的白色部分中被反射出來。因此，在後期處理過程中可以重建全彩圖像。

合著者法德爾·阿迪布說：“當我們還是孩子的時候，在美術課上，我們被教導可以用三種基本顔色制作所有的顔色。同樣的規則也适用于我們在電腦上看到的彩色圖像。我們隻需要紅、綠、藍這三個通道就可以來構建彩色圖像。”

在圖像數據被編碼為比特後，傳感器依賴于壓電聲反向散射進行超低功率通信，而不是電池。這種方法不需要生成自己的聲學信号（例如聲納），而是依賴于調制入射水下聲音的反射來傳輸數據，一次傳輸一位。該數據由能夠恢複調制圖案的遠程接收器拾取，然後使用二進制信息來重建圖像。作者估計，他們的水下相機的能效大約是同類相機的10萬倍，可連續運行數周。

自然，該團隊構建了一個概念驗證原型，并進行了一些測試來證明他們的方法是有效的。例如，他們在新罕布什爾州東南部的凱澤池塘拍攝了污染（塑料瓶的形式）的圖像，以及在“有外部照明的受控環境”中拍攝了一隻非洲海星的圖像。後一張圖像的分辨率，足以捕捉到海星五條臂上的各種結節。

上圖：使用水下反向散射成像獲得的樣本圖像。

該團隊還能夠使用他們的水下無線攝像機來監測一種水生植物（Aponogeton ulvaceus）的生長，并檢測和定位通常用于水下跟蹤和機器人操作的視覺标簽。該相機實現了高探測率和高定位精度，距離可達3.5米（約11.5英尺）；作者建議，使用更高分辨率的傳感器可以實現更長的探測範圍。根據在馬薩諸塞州東部查爾斯河進行的測試，距離也是影響相機能量收集和通信能力的一個因素。正如預期的那樣，盡管相機成功地在距離接收器40米（131英尺）的地方傳輸數據，但這兩個關鍵能力都随着距離的增加而下降。

簡而言之，研究團隊表示：“我們的方法無系繩、廉價和完全集成的特性，使其成為大規模海洋部署的理想方法。”擴展他們的方法需要更複雜和有效的換能器，以及更高功率的水聲傳輸。人們還可以利用海面上現有的網狀浮标網絡，或者像 Argo Floats 這樣的水下機器人網絡，來遠程為能量采集相機供電。

合著者法德爾·阿迪布說：“對我個人來說，這款相機最令人興奮的應用之一是在氣候監測方面。我們正在建立氣候模型，但我們丢失了95%以上海洋的數據。這項技術可以幫助我們建立更精确的氣候模型，更好地理解氣候變化如何影響水下世界。”

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