麻省理工学院的研究人员开发出一种无电池的无线水下相机

麻省理工学院(MIT)的工程师们建造了一个无电池的无线水下摄像机，可以协助科学家探索海洋的未知区域，监测污染和调查气候变化的影响。

科学家们估计，地球上超过95%的海洋没有被观察到。这是一个相当大的数量。我们对火星表面的探索比我们对地球海洋的调查还要多。缺乏观察的部分原因是为水下相机供电的挑战。研究人员利用船只为相机充电，或者用拴在船上的相机进行观察，以解决这个问题。然而，这是一个限制性因素。

为了克服这个问题，麻省理工学院的研究人员已经开发出一种无电池的无线水下相机，其能源效率大约是其他水下相机的10万倍。这种新的自主相机即使在黑暗条件下也能记录彩色照片，并能在海洋中无线传输数据。

该相机以声音为动力。它将声波在水中传播的机械能转换为电能，为相机的成像和通信设备提供动力。在记录和编码图像数据后，相机再使用声波将数据传输到接收器，然后再重建图像。

在不需要外部电源的情况下，该相机可以在收回之前运行数周，这意味着科学家可以搜索极其偏远的海洋区域，甚至搜索迄今为止尚未被发现的新物种。该相机还可以搜索污染或气候变化的影响，甚至可以用于商业水产养殖作业。

对我个人来说，这台相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测方面。我们正在建立气候模型，但是我们缺少超过95%的海洋的数据。这项技术可以帮助我们建立更准确的气候模型，更好地了解气候变化如何影响水下世界，"麻省理工学院媒体实验室电子工程和计算机科学系副教授兼信号动力学小组主任法德尔-阿迪布说，他是关于该系统的一篇新论文的资深作者。

阿迪布与赛义德-萨德-阿夫扎尔、瓦利德-阿克巴、奥斯维-罗德里格斯、马里奥-杜梅特、乌苏-哈和雷扎-加法里瓦达瓦格一起撰写的一篇新论文《水下环境的无电池无线成像》中概述了该相机。这款新相机最重要的部分之一是其无电池设计。研究人员需要开发一种能够在水下采集能量，同时消耗很少电力的装置。正如麻省理工学院所概述的，"该相机通过放置在其外部的压电材料制成的传感器来获取能量。压电材料在受到机械力的作用时产生电信号。当穿过水的声波碰到传感器时，它们会振动并将机械能转化为电能。声波可以来自多个来源，如经过的船只或海洋生物。相机收集和储存能量，直到它有足够的能量来拍摄照片和通信数据。

为了尽可能少地消耗电力，研究人员使用了现成的超低功率成像传感器。然而，低功耗传感器只能捕获灰度图像，而且低光照条件下需要使用闪光灯。该团队用红、绿、蓝三色LED解决了这两个问题。当相机捕捉图像时，它照亮一个红色LED灯，然后捕捉镜头。然后它用绿色和蓝色LED灯重复这一过程。虽然图像看起来是黑白的，但当后来重建图像数据时，可以建立一个彩色图像。'当我们还是孩子的时候，在艺术课上，我们被教导，我们可以用三种基本的颜色来制作所有的颜色。对于我们在电脑上看到的彩色图像，也遵循同样的规则。我们只需要红色、绿色和蓝色--这三个通道--来构建彩色图像，'阿迪布说。

一旦捕捉到图像，它们就被编码为比特，并通过一个称为水下反向散射的过程，一次一个比特地发送到接收器。接收器将声波通过水传送到相机，然后相机将其反射。照相机要么反射波，要么改变其镜子以吸收，这样就不会反射。发射器旁边的一个水听器感知相机是否发出了信号。如果有信号，就是比特-1。如果没有?那就是位0。然后，二进制信息被用于重建和后期处理图像。只有一个开关，这比典型的水下通信系统所需的功率要小得多。

该相机已在几种水下环境中进行了测试。'研究人员在几个水下环境中测试了该相机。其中，他们拍摄了漂浮在新罕布什尔州池塘中的塑料瓶的彩色图像。他们还能够拍摄到如此高质量的非洲海星的照片，其手臂上的小瘤子清晰可见。麻省理工学院写道："该设备还能有效地在黑暗环境中对水下植物Aponogeton ulvaceus进行反复成像，以监测其生长。

下一步是改进相机的射程，使其在现实世界的环境中更加实用。截至目前，数据已经成功传输到40米以上。这项研究部分得到了海军研究办公室、斯隆研究奖学金、国家科学基金会、麻省理工学院媒体实验室和海洋利用领域的多尔蒂讲座的支持。