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<p>&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;將水下攝像機拴在研究船上或派遣船只為其電池充電，長時間為水下攝像機供電的高成本是阻止廣泛的海底探索的嚴峻挑戰(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，為克服這個問題邁出了重要的一步，該相機的能效比其他海底相機高出約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。它將穿過水的聲波的機械能轉(zhuǎn)化為電能，為其成像和通信設(shè)備提供動力。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，相機還使用聲波將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街亟▓D像的接收器。因為它不需要電源，所以相機可以在檢索之前連續(xù)運行數(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</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn2C6OoEAymcGQspxQnjDuog" style="white-space: pre;">人而言，這款相機最令人興奮的應(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)。這項技術(shù)可以幫助我們建立更準確的氣候模型，更好地了解氣候變化如何影響海底世界，&ldquo;電氣工程和計算機科學(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)院媒體實驗室信號動力學(xué)小組主任、一篇關(guān)于該系統(tǒng)的新論文的高級作者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動力學(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間自主運行的相機，研究人員需要一種可以在水下單獨收集能量而消耗很少的功率的設(shè)備。相機</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)壓電材料施加機械力時，它們會產(chǎn)生電信號。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，它們會振動并將機械能轉(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。相機存儲收集的能量，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，&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;">和藍色 LED 同時解決了這兩個問題。當(dāng)相機捕獲圖像時，它會發(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，綠色和藍色的光也會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，可以重建彩色圖像。&ldquo;當(dāng)我們還是藝術(shù)課上的孩子時，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。我們在計算機上看到的彩色圖像遵循相同的規(guī)則。我們只需要紅色，綠色和藍色 - 這三個通道 - 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，相機充當(dāng)反射這些波的鏡子。相機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;">會反射回來。發(fā)射器旁邊的水聽器會感應(yīng)信號是否從攝像機反射回來。如果它接收到一個信號，那就是一個位-1，如果沒有信</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcn0SUSEA4UOW0c4bwmrNlYWf" style="white-space: pre;">號，那就是一個位-0。系統(tǒng)使用此二進制信息來重建和后處理圖像。&ldquo;這整個過程，因為它只需要一個開關(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)低五個數(shù)量級，&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。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)展示了一個工作原型，研究人員計劃增強該設(shè)</div> <div class="ace-line ace-line old-record-id-doxcnwGIwwuAwucQEi2DyUuxDhc" style="white-space: pre;">備，使其在實際環(huán)境中部署是可行的。他們希望增加相機的內(nèi)存，以便它可以實時捕獲照片，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。他們還想擴大相機的范圍。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會，&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;">電氣和計算機工程助理教授Haitham Al-Hassanieh說，他沒有參與這項研究。這項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;">獎學(xué)金，國家科學(xué)基金會，麻省理工學(xué)院媒體實驗室和海洋利用多爾蒂椅子的支持。</div> </div>