麻省理工學院的工程師構建了一個無電池的無線水下相機，可以幫助科學家探索海洋的未知區域，跟蹤污染或監測氣候變化的影響

麻省理工學院的工程師已經制造了一種無線，無電池的水下相機，能夠自己收集能量，同時消耗很少的功率，根據發表在《自然通訊》雜志上的一篇新論文。

該系統可以拍攝遠程水下物體的彩色照片——即使在黑暗的環境中，并會以無線方式傳輸數據以實時監測水下環境，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。

作者：JENNIFER OUELLETTE |

來源：Medium |

編譯：劉唐詩 |

無電池的無線水下相機

我們已經有各種水下圖像拍攝方法，但根據研究人員的說法，“大多數海洋和海洋生物尚未被觀察到。這是因為大多數現有的水下圖像拍攝方法都需要連接到船舶，水下無人機或發電廠上，用于電力和通信。"

那些不使用網絡共享的方法必須包含電池電量，這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收集能量，但添加必要的設備會導緻更笨重，更昂貴的水下相機。

因此，麻省理工學院的團隊着手開發一種無電池無線成像方法的解決方案。設計目标是盡可能減少所需的硬件。他們還希望将功耗保持在最低水平，因此他們使用了廉價的現成成像傳感器。

但是這種傳感器隻産生灰度圖像。該團隊還需要開發一種低功耗閃光燈，因為大多數水下環境都沒有太多的自然光。

概述水下反向散射成像系統的工作原理

事實證明，這兩個挑戰的解決方案都結合了紅色、綠色和藍色 LED。相機使用紅色LED進行原位照明，并用其傳感器捕獲該圖像，然後使用綠色和藍色LED重複該過程。

根據作者的說法，圖像可能看起來是黑白的，但來自LED的三種顔色的光會反射到每個圖像的白色部分。因此，可以在後期處理過程中重建全彩色圖像。

“當我們在小時候上藝術課的時候，老師曾教導過我們可以使用三種基本顔色制作所有顔色，”合著者Fadel Adib說。“對于我們在計算機上看到的彩色圖像，遵循相同的規則：我們隻需要紅色、綠色和藍色這三個通道來構建彩色圖像。“

在圖像數據被編碼為位後，傳感器依靠壓電聲學反向散射進行超低功耗通信，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），而是依靠調制入射水下聲音的反射來一次傳輸一個數據。

該數據由能夠恢複調制模式的遠程接收器拾取，然後使用二進制信息來重建圖像。研究人員估計，他們的水下相機的能源效率比同類相機高出約10萬倍，并且可以連續運行數周。

當然，該團隊構建了一個概念驗證原型，并進行了一些測試，以證明他們的方法有效。例如，他們在新罕布什爾州東南部的凱瑟池塘（Keser Pond）對污染（以塑料瓶的形式）進行了成像，并在“具有外部照明的受控環境”中對非洲海星（普羅托伊斯特·林克利）進行了成像。後一幅圖像的分辨率足以捕捉到海星五臂上的各種結節。

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頭來監測水生植物（Aponogeton ulvaceus）在幾天内的生長情況，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。該相機實現了高檢測率和高定位精度，距離約為3.5米（約11英尺半）。研究人員認為，使用更高分辨率的傳感器可以實現更長的檢測範圍。距離也是相機能量收集和通信能力的一個因素，根據在馬薩諸塞州東部查爾斯河進行的測試。正如預期的那樣，這兩個關鍵能力都随着距離的降低而降低，盡管攝像機成功地将數據傳輸到距離接收器40米（131英尺）的地方。

簡而言之，“我們的方法的無繩，廉價和完全集成的性質使其成為大規模海洋部署的理想方法，”作者寫道。擴大他們的方法需要更複雜和高效的換能器，以及更高功率的水下聲學傳輸。人們還可以利用海洋表面現有的浮标網狀網絡或Argo浮标等水下機器人網絡，為能量收集相機提供遠程電源。

“就我個人而言，這款相機最令人興奮的應用之一是在氣候監測的背景下，”Adib說。“我們正在建立氣候模型，但我們缺少來自95%以上海洋的數據。這項技術可以幫助我們建立更準确的氣候模型，并更好地了解氣候變化如何影響海底世界。

本文提供的信息僅用于一般指導和信息目的，本文的内容在任何情況下均不應被視為投資、業務、法律或稅務建議。

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