<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;將水下攝像機(jī)拴在研究船上或派遣船只為其電池充電，長時(shí)間為水下攝像機(jī)供電的高成本是阻止廣泛的海底探索的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。</p> <p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;麻省理工學(xué)院的研究人員通過開發(fā)一種無電池的無線水下相機(jī)，為克服這個(gè)問題邁出了重要的一步，該相機(jī)的能效比其他海底相機(jī)高出約10萬倍。即使在黑暗的水下環(huán)境中，該設(shè)備也能拍攝彩色照片，并通過水無線傳輸圖像數(shù)據(jù)。</p> <div data-page-id="doxcncZrQmzRO7DX76S5IqFWpfg" data-docx-has-block-data="false"> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">自主攝像頭由聲音驅(qū)動(dòng)。它將穿過水的聲波的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為其成像和通信設(shè)備提供動(dòng)力。在捕獲和編碼圖像數(shù)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">據(jù)后，相機(jī)還使用聲波將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街亟▓D像的接收器。因?yàn)樗恍枰娫?，所以相機(jī)可以在檢索之前連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，使科</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">學(xué)家能夠在海洋的偏遠(yuǎn)地區(qū)尋找新物種。它還可用于捕捉海洋污染的圖像或監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖場養(yǎng)殖魚類的健康和生長。&ldquo;就我個(gè)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">人而言，這款相機(jī)最令人興奮的應(yīng)用之一是在氣候監(jiān)測的背景下。我們正在建立氣候模型，但我們?nèi)鄙賮碜?5%以上海洋的</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">數(shù)據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)可以幫助我們建立更準(zhǔn)確的氣候模型，更好地了解氣候變化如何影響海底世界，&ldquo;電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">教授、麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室信號(hào)動(dòng)力學(xué)小組主任、一篇關(guān)于該系統(tǒng)的新論文的高級(jí)作者Faddle Adib說。加入Adib論文的</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">是共同主要作者和信號(hào)動(dòng)力學(xué)小組研究助理賽義德&middot;薩阿德&middot;阿夫扎爾，瓦利德&middot;阿克巴和奧斯維&middot;羅德里格斯，以及研究科學(xué)家</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">Unsoo Ha，以及前小組研究員馬里奧&middot;杜梅特和禮薩&middot;加法里瓦爾達(dá)瓦格。這篇論文<a href="https://www.nature.com/articles/s41467-022-33223-x">今天發(fā)表在《自然通訊》上</a>。</div> <h4 class="heading-4 ace-line old-record-id-doxcnWUsKQe4qEyMuWghNIVWJhd" style="white-space: pre;">&nbsp;</h4> <h4 class="heading-4 ace-line old-record-id-doxcnWUsKQe4qEyMuWghNIVWJhd" style="white-space: pre;"><strong>無電池</strong></h4> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnWCIOAqYGauoIsrmgeWFCWd" style="white-space: pre;">為了制造一種可以長時(shí)間自主運(yùn)行的相機(jī)，研究人員需要一種可以在水下單獨(dú)收集能量而消耗很少的功率的設(shè)備。相機(jī)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnWCIOAqYGauoIsrmgeWFCWd" style="white-space: pre;">使用由壓電材料制成的傳感器獲取能量，這些傳感器放置在其外部周圍。當(dāng)壓電材料施加機(jī)械力時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。當(dāng)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnWCIOAqYGauoIsrmgeWFCWd" style="white-space: pre;">穿過水的聲波撞擊到換能器時(shí)，它們會(huì)振動(dòng)并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">這些聲波可能來自任何來源，比如一艘過往的船或海洋生物。相機(jī)存儲(chǔ)收集的能量，直到它積累了足夠的能量來為拍照</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">和通信數(shù)據(jù)的電子設(shè)備供電。為了盡可能降低功耗，研究人員使用了現(xiàn)成的超低功耗成像傳感器。但這些傳感器只能捕獲灰</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">度圖像。由于大多數(shù)水下環(huán)境缺乏光源，他們也需要開發(fā)低功耗閃光燈。&ldquo;我們試圖盡可能地最小化硬件，這給如何構(gòu)建系統(tǒng)、</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">發(fā)送信息和執(zhí)行圖像重建帶來了新的限制。這需要相當(dāng)多的創(chuàng)造力來弄清楚如何做到這一點(diǎn)，&ldquo;Adib說。他們使用紅色、綠色</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">和藍(lán)色 LED 同時(shí)解決了這兩個(gè)問題。當(dāng)相機(jī)捕獲圖像時(shí)，它會(huì)發(fā)光紅色LED，然后使用圖像傳感器拍攝照片。它對綠色和藍(lán)色</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">LED 重復(fù)相同的過程。Akbar解釋說，即使圖像看起來黑白相間，紅色，綠色和藍(lán)色的光也會(huì)反射在每張照片的白色部分。當(dāng)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">圖像數(shù)據(jù)在后處理中合并時(shí)，可以重建彩色圖像。&ldquo;當(dāng)我們還是藝術(shù)課上的孩子時(shí)，我們被教導(dǎo)我們可以用三種基本顏色制作</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">所有顏色。我們在計(jì)算機(jī)上看到的彩色圖像遵循相同的規(guī)則。我們只需要紅色，綠色和藍(lán)色 - 這三個(gè)通道 - 來構(gòu)建彩色圖像，&ldquo;</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnU4qo68Mi4aa8S8VsQTKY7d" style="white-space: pre;">他說。</div> <h4 class="heading-4 ace-line old-record-id-doxcnaSAa4UKmy0MecZpftVKN5f" style="white-space: pre;">&nbsp;</h4> <h4 class="heading-4 ace-line old-record-id-doxcnaSAa4UKmy0MecZpftVKN5f" style="white-space: pre;"><strong>發(fā)送有聲數(shù)據(jù)</strong></h4> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn0SUSEA4UOW0c4bwmrNlYWf" style="white-space: pre;">一旦捕獲圖像數(shù)據(jù)，它們就會(huì)被編碼為位（1和0s），并使用稱為水下反向散射的過程一次一個(gè)位地發(fā)送到接收器。接收</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn0SUSEA4UOW0c4bwmrNlYWf" style="white-space: pre;">器通過水將聲波傳輸?shù)较鄼C(jī)，相機(jī)充當(dāng)反射這些波的鏡子。相機(jī)要么將波反射回接收器，要么將其鏡子更改為吸收器，使其不</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn0SUSEA4UOW0c4bwmrNlYWf" style="white-space: pre;">會(huì)反射回來。發(fā)射器旁邊的水聽器會(huì)感應(yīng)信號(hào)是否從攝像機(jī)反射回來。如果它接收到一個(gè)信號(hào)，那就是一個(gè)位-1，如果沒有信</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn0SUSEA4UOW0c4bwmrNlYWf" style="white-space: pre;">號(hào)，那就是一個(gè)位-0。系統(tǒng)使用此二進(jìn)制信息來重建和后處理圖像。&ldquo;這整個(gè)過程，因?yàn)樗恍枰粋€(gè)開關(guān)將設(shè)備從非反射狀態(tài)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn0SUSEA4UOW0c4bwmrNlYWf" style="white-space: pre;">轉(zhuǎn)換為反射狀態(tài)，因此消耗的功率比典型的水下通信系統(tǒng)低五個(gè)數(shù)量級(jí)，&rdquo;Afzal說。</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">研究人員在幾種水下環(huán)境中測試了相機(jī)。在其中一次，他們捕捉了漂浮在新罕布什爾州池塘中的塑料瓶的彩色圖像。他們</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">還能夠拍攝出如此高質(zhì)量的非洲海星照片，以至于沿著其手臂的微小結(jié)節(jié)清晰可見。該設(shè)備還有效地在一周的黑暗環(huán)境中反復(fù)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">對水下植物<em>Aponogeton ulvaceus</em>進(jìn)行成像，以監(jiān)測其生長情況。現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了一個(gè)工作原型，研究人員計(jì)劃增強(qiáng)該設(shè)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">備，使其在實(shí)際環(huán)境中部署是可行的。他們希望增加相機(jī)的內(nèi)存，以便它可以實(shí)時(shí)捕獲照片，流式傳輸圖像，甚至拍攝水下視</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">頻。他們還想擴(kuò)大相機(jī)的范圍。他們成功地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄嚯x接收器40米的地方，但是將該范圍推得更寬將使相機(jī)能夠在更多</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">的水下環(huán)境中使用。&ldquo;這將為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及水下監(jiān)測和研究的研究開辟巨大的機(jī)會(huì)，&rdquo;伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授Haitham Al-Hassanieh說，他沒有參與這項(xiàng)研究。這項(xiàng)研究部分得到了海軍研究辦公室，斯隆研究</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">獎(jiǎng)學(xué)金，國家科學(xué)基金會(huì)，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室和海洋利用多爾蒂椅子的支持。</div> </div>