科学家们估计，超过95%的地球海洋从未被观察过，这意味着我们所看到地球的海洋，比我们看到月球的背面或火星的表面还要少。
目前进行海洋探测，一般要将水下相机拴在研究船只上，或专门派出船只，为水下相机的电池充电，这种做法的成本太高，很大程度上阻碍了海底探索的扩展。
现在，麻省理工学院的研究人员已经向着克服这一问题迈出了重要一步，他们开发了一种不用电池的无线水下相机，其能源效率比其他水下相机高约10万倍。
图：麻省理工研发的无线水下相机
这台相机即使在黑暗的水下环境中也能拍摄彩色照片，并通过水中的无线传输图像数据。
该相机是由声波驱动的。它将声波在水中传播的机械能转换为电能，为其成像和通信设备提供动力。在捕获和编码图像数据后，使用声波将数据传输到一个接收器上，重建图像。
图：水下反向散射成像原理示意
由于不需要电源，该相机可以在收回之前连续运行数周时间，使科学家能够在海洋的偏远地区搜寻新物种，还可以用来捕捉海洋污染的图像，或监测水产养殖场中饲养的鱼的健康和生长状况。
MIT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Fadel Adib是关于该相机的一篇新论文的通讯作者。
「对我个人来说，这种相机最令人兴奋的应用之一是在气候监测。我们正在建立气候模型，但超过95%的海洋数据现在都是缺失的。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」。
与Adib一起撰写本论文的，还有共同第一作者Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, Osvy Rodriguez, Unsoo Ha等信号动力学小组的研究助理，以及研究科学家Unsoo Ha和小组前研究人员Mario Doumet和Reza Ghaffarivardavagh。
该论文近日发表在《自然·通信》期刊上。
怎么做到不用电池
为了打造一台能够长期自主运行的相机，研究人员需要一个能够在水下自行收集能量的设备，同时只消耗很少的电力。
该相机使用由压电材料制成的传感器获取能量，传感器安装在相机外部。压电材料在受到机械力的作用时会产生电信号。当穿过水的声波接触传感器时，它们会振动，并将机械能转换成电能。
这些声波可能来自任何来源，如过往船只或海洋生物。照相机储存收获的能量，直到它积累到足以为拍摄照片和通信数据的电子装置供电。
图：副教授Fadel Adib和研究助理Waleed Akbar展示无电池水下相机
为了保持尽可能低的功耗，研究人员使用了超低功率成像传感器。但是这些传感器只能捕获灰度图像。而且，由于大多数水下环境缺乏光源，他们也需要开发一个低功率的闪光灯。
Adib说：「我们试图尽可能地减少硬件，这对如何建立系统、发送信息和进行图像重建带来了新的限制。我们费了很大脑筋才想出这个办法。」
研究人员使用红色、绿色和蓝色LED主动照明解决了这两个问题。
当相机要拍摄图像时，先用红色LED作为照明，使用图像传感器来拍摄照片。然后再分别用绿色和蓝色LED作为照明，再进行拍摄。
Akbar解释说，尽管图像看起来是黑白的，但红、绿、蓝三色的光在每张照片的白色部分都有反射。当图像数据在后期处理中被结合起来时，就可以重建彩色图像了。
图：主动照明下的水下反向散射成像
「当我们还是孩子的时候，在美术课上，老师就教我们，用三种基本颜色，就能制作出所有的颜色。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、绿色和蓝色这三原色，就可以构建彩色图像，」Akbar说。
如何用声音发送数据
一旦捕捉到图像数据，它们就被编码为比特（1和0），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照相机，照相机就像一面镜子，反射这些波。
相机要么将波反射回接收器，要么将其镜子改为吸收器，这样就不会反射回来。
发射器旁边的一个水听器感知是否有信号从相机反射回来。
如果它收到一个信号，那就是位1，如果没有信号，那就是位0。该系统使用这种二进制信息来重建和后处理图像。
Sayed Saad Afzal说：「这整个过程，因为它只需要一个开关将设备从非反射状态转换为反射状态，所以比典型的水下通信系统消耗的功率要少五个数量级。」
研究人员在水下环境中测试了该相机。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。他们能够拍摄到非洲海星的高质量照片，其手臂上的小瘤子清晰可见。
该相机还能有效地在黑暗环境中对水下植物Aponogeton ulvaceus进行反复成像，并在一周内监测其生长。
图：使用水下反向散射成像获得的样品图像
现在，他们已经展示了一个工作原型，研究人员计划加强该设备，使其在现实世界环境中的部署是实用的。他们希望增加相机的内存，以便实时拍摄照片和运动图像，甚至拍摄水下视频。
未来，研究人员还想进一步扩大相机的使用范围。目前已经成功在离接收器40米的地方实现了数据传输，但未来打算这个范围推得更广，使相机能够在更多的水下环境中使用。
图：研究人员尝试扩大相机使用范围的实验结果
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程助理教授Haitham Al-Hassanieh说：「这将为低功耗物联网设备以及水下监测和研究开辟巨大的研究机会，很遗憾他没有参与这项研究。」
延伸阅读：
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》
