这款水下相机无需电池即可无线工作

据麻省理工学院的工程师们称，他们制造了一种没有电池的无线水下相机，能够自行蓄电，同时消耗很少的电量。 新文章 发表在《自然通讯》上。 该系统可以远程捕获水下物体的彩色图像 – 即使在黑暗的地方 – 并无线传输数据以实时监测水下环境，帮助发现新的稀有物种、监测洋流、污染或商业和军事行动.

我们已经有了不同的水下拍照方式，但根据作者的说法，“大多数海洋和海洋生物还没有被观察到。” 这部分是因为大多数当前的方法都要求它们连接到船舶、水下无人机或发电厂以进行供电和通信。 那些不使用网络共享的方法必须包括电池电源，这会限制其寿命。 虽然原则上可以从海浪、水下洋流甚至阳光中获取能量，但增加这样做所需的设备将导致水下相机更大、​​更昂贵。

因此，麻省理工学院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。 例如，因为他们希望将功耗保持在最低水平，麻省理工学院的团队使用了廉价的现成成像传感器。 权衡是这些传感器只产生灰度图像。 该团队还需要开发一种低功率闪光灯，因为大多数水下环境没有太多的自然光。

事实证明，这两个挑战的解决方案都涉及红色、绿色和蓝色 LED。 相机使用红色 LED 照亮该位置并使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。 作者说，图像可能看起来是黑白的，但来自 LED 的三种颜色的光会在每个图像的白色部分反射。 因此，可以在后处理期间重建全彩图像。

“当我们还是美术课的孩子时，我们被告知我们可以使用三种原色制作所有颜色，” 合著者 Fadel Adeeb 说：. “它遵循我们在计算机上看到的彩色图像的相同规则。我们只需要红色、绿色和蓝色——这三个通道——来创建彩色图像。”

在图像数据被编码为比特后，传感器依靠压电声学反向散射而不是电池来实现极低功率的通信。 这种方法不需要生成自己的音频信号（例如声纳），而是依靠调制水下声音的反射来一次一位地传输数据。 该数据由能够检索修改后的模式的远程接收器捕获，然后使用二进制信息来重建图像。 作者估计，他们的水下相机的能源效率是同类产品的 100,000 倍，并且可以连续运行数周。

自然地，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 Keyser Pond 拍摄了污染（以塑料瓶的形式），还拍摄了非洲海星（Protorster 林克利) 在“具有室外照明的受控环境”中。 最后一张图像的分辨率足以捕捉到海星五个手臂上的各种结节。

该团队还能够使用无线水下摄像头监测水生植物的生长情况（葡萄干) 在几天内，检测和定位通常用于水下跟踪和自动处理的视觉标签。 该相机实现了高检测率和高定位精度，距离可达约 3.5 米（约 11 英尺半）； 作者建议使用更高分辨率的传感器可以实现更长的检测范围。 根据在马萨诸塞州东部查尔斯河进行的测试，距离也是相机能量收集和通信能力的一个因素。 正如预期的那样，这两项重要的能力会随着距离的增加而减弱，尽管相机确实设法将数据传输到距离接收器最远 40 米（131 英尺）的地方。

总之，作者写道：“我们的方法不受限制、廉价且完全集成，使其成为海洋大规模扩散的理想方法。” 扩大他们的方法需要更先进和更高效的换能器，以及更高功率的水声传输。 也有可能利用现有的海面浮标网状网络或 Argo 浮标等水下机器人网络来远程操作能量收集相机。

“对我个人而言，这款相机最令人兴奋的应用之一就是在气候监测方面，” 阿迪布 他说. “我们正在建立气候模型，但我们缺少 95% 以上的海洋数据。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。”

DOI：自然通讯，2022。 10.1038 / s41467-022-33223-x (关于 DOI）。