不包括电池 —— 这款水下摄像机无需电池即可无线操作

发布时间:2022-10-25 19:19

麻省理工学院的工程师已经制造了一种无线，无电池的水下相机，能够自己收集能量，同时消耗很少的功率，根据发表在《自然通讯》杂志上的一篇新论文。

该系统可以拍摄远程水下物体的彩色照片 —— 即使在黑暗的环境中，并会以无线方式传输数据以实时监测水下环境，帮助发现新的稀有物种或监测洋流，污染或商业和军事行动。

我们已经有各种水下图像拍摄方法，但根据研究人员的说法，“大多数海洋和海洋生物尚未被观察到。这是因为大多数现有的水下图像拍摄方法都需要连接到船舶，水下无人机或发电厂上，用于电力和通信。"

那些不使用网络共享的方法必须包含电池电量，这限制了它们的使用寿命。虽然原则上可以从海浪，水下洋流甚至阳光中收集能量，但添加必要的设备会导致更笨重，更昂贵的水下相机。

因此，麻省理工学院的团队着手开发一种无电池无线成像方法的解决方案。设计目标是尽可能减少所需的硬件。他们还希望将功耗保持在最低水平，因此他们使用了廉价的现成成像传感器。

但是这种传感器只产生灰度图像。该团队还需要开发一种低功耗闪光灯，因为大多数水下环境都没有太多的自然光。

事实证明，这两个挑战的解决方案都结合了红色、绿色和蓝色 LED。相机使用红色 LED 进行原位照明，并用其传感器捕获该图像，然后使用绿色和蓝色 LED 重复该过程。

根据作者的说法，图像可能看起来是黑白的，但来自 LED 的三种颜色的光会反射到每个图像的白色部分。因此，可以在后期处理过程中重建全彩色图像。

“当我们在小时候上艺术课的时候，老师曾教导过我们可以使用三种基本颜色制作所有颜色，”合著者 Fadel Adib 说。“对于我们在计算机上看到的彩色图像，遵循相同的规则：我们只需要红色、绿色和蓝色这三个通道来构建彩色图像。“

在图像数据被编码为位后，传感器依靠压电声学反向散射进行超低功耗通信，而不是电池。这种方法不需要生成自己的声学信号（例如声纳），而是依靠调制入射水下声音的反射来一次传输一个数据。

该数据由能够恢复调制模式的远程接收器拾取，然后使用二进制信息来重建图像。研究人员估计，他们的水下相机的能源效率比同类相机高出约 10 万倍，并且可以连续运行数周。

当然，该团队构建了一个概念验证原型，并进行了一些测试，以证明他们的方法有效。例如，他们在新罕布什尔州东南部的凯瑟池塘（Keser Pond）对污染（以塑料瓶的形式）进行了成像，并在“具有外部照明的受控环境”中对非洲海星（普罗托伊斯特・林克利）进行了成像。后一幅图像的分辨率足以捕捉到海星五臂上的各种结节。

该团队还能够使用他们的水下无线摄像头来监测水生植物（Aponogeton ulvaceus）在几天内的生长情况，并检测和定位通常用于水下跟踪和机器人操作的视觉标签。该相机实现了高检测率和高定位精度，距离约为 3.5 米（约 11 英尺半）。研究人员认为，使用更高分辨率的传感器可以实现更长的检测范围。距离也是相机能量收集和通信能力的一个因素，根据在马萨诸塞州东部查尔斯河进行的测试。正如预期的那样，这两个关键能力都随着距离的降低而降低，尽管摄像机成功地将数据传输到距离接收器 40 米（131 英尺）的地方。

简而言之，“我们的方法的无绳，廉价和完全集成的性质使其成为大规模海洋部署的理想方法，”作者写道。扩大他们的方法需要更复杂和高效的换能器，以及更高功率的水下声学传输。人们还可以利用海洋表面现有的浮标网状网络或 Argo 浮标等水下机器人网络，为能量收集相机提供远程电源。

“就我个人而言，这款相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测的背景下，”Adib 说。“我们正在建立气候模型，但我们缺少来自 95% 以上海洋的数据。这项技术可以帮助我们建立更准确的气候模型，并更好地了解气候变化如何影响海底世界。