科學家估計，地球上95%以上的海洋從未被觀測到過，這意味着我們看到的海洋比我們看到的月球背面或火星表面還少。
將水下攝像機固定在科考船上或派船為其充電，為其提供長時間動力的高昂成本，是一個嚴峻的挑戰，阻礙了廣泛的海底探索。
麻省理工學院的研究人員在克服這一問題上邁出了重要一步，他們開發了一種無需電池的無線水下相機，它的能源效率是其他水下相機的10萬倍左右。該設備即使在黑暗的水下環境中也能拍攝彩色照片，並通過水中無線傳輸圖像數據。
相機由聲音提供動力。它將聲波中的機械能轉化為電能，為成像和通信設備提供動力。在捕獲和編碼圖像數據後，相機還使用聲波將數據傳輸到接收器，接收器可以重建圖像。
因為它不需要電源，相機可以連續運行數周，然後再進行檢索，使科學家能夠在海洋的偏遠地區搜索新物種。它還可以用來捕捉海洋污染的圖像，或監測水產養殖場飼養的魚類的健康和生長。
「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，但我們丟失了95%以上海洋的數據。這項技術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。」麻省理工學院電子工程和計算機科學系副教授、麻省理工學院媒體實驗室信號動力學小組主任Fadel Adib說，他也是這篇論文的高級作者。
和Adib一起完成論文的還有信號動力學小組研究助理Sayed Saad Afzal，Waleed Akbar和Osvy Rodriguez，以及研究科學家Unsoo Ha，以及前小組研究人員Mario Doumet和Reza Ghaffarivardavagh。這篇論文發表在《自然通訊》雜誌上。
為了製造一個能夠長時間自主工作的相機，研究人員需要一種能夠在水下自己收集能量，同時消耗很少電力的設備。
該相機通過放置在其外部的壓電材料製成的換能器來獲取能量。當機械力施加在壓電材料上時，壓電材料會產生電信號。當聲波在水中傳播到換能器上時，換能器就會振動，並將機械能轉化為電能。
這些聲波可能來自任何來源，比如駛過的船隻或海洋生物。相機將收集到的能量儲存起來，直到足夠為拍攝照片和傳輸數據的電子設備提供能量。
為了保持儘可能低的功耗，研究人員使用了現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。由於大多數水下環境缺乏光源，他們也需要開發一種低功率的閃光燈。
「我們試圖儘可能減少硬件，這對如何構建系統、發送信息和執行圖像重建造成了新的限制。要想出如何做到這一點需要相當多的創造力。」Adib說。
他們同時用紅、綠、藍三色led解決了這兩個問題。當相機捕捉到圖像時，它會照亮一個紅色LED，然後使用圖像傳感器拍攝照片。它用綠色和藍色LED重複同樣的過程。
Akbar解釋說，儘管照片看起來是黑白的，但每張照片的紅色、綠色和藍色的光都被反射到了白色的部分。將圖像數據進行組合後處理，可以對彩色圖像進行重構。
「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顏色做出所有的顏色。同樣的規則也適用於我們在電腦上看到的彩色圖像。我們只需要紅、綠、藍三種通道來構建彩色圖像。」
用聲音發送數據
一旦捕獲圖像數據，它們將被編碼為比特（1和0），並使用水下反向散射（underwater backscatter）過程一次發送一個比特給接收方。接收器將聲波通過水傳遞到攝像機，攝像機就像一面鏡子一樣反射這些聲波。相機要麼把波反射回接收器，要麼把它的「鏡子」變成吸收器，這樣就不會反射回來。
發射器旁邊的水聽器可以感知從相機反射回來的信號。如果它接收到一個信號，那就是位-1，如果沒有信號，那就是位-0。該系統利用這些二進制信息對圖像進行重構和後處理。
「由於整個過程只需要一個開關就能將設備從非反射狀態轉換為反射狀態，因此消耗的電能比典型的水下通信系統要少5個數量級。」Afzal說。
研究人員在幾種水下環境中測試了該相機。在其中一個實驗中，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量照片，甚至可以清楚地看到它手臂上的小結節。該設備還可以有效地在一周的黑暗環境中重複成像水下植物Aponogeton ulvaceus，以監測其生長。
現在他們已經演示了一個工作原型，研究人員計劃增強該設備，以便在現實環境中部署。他們想要增加相機的內存，這樣它就可以實時捕捉照片、流圖像，甚至拍攝水下視頻。
他們還想擴大相機的拍攝範圍。他們成功地將數據傳輸到距離接收器40米的地方，但擴大這個範圍將使相機能夠在更多的水下環境中使用。
信息源於：eurekalert
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