摘要：根据科学家的估计，超过95%的地球海洋从未被观察过，这意味着我们看到我们星球的海洋比我们看到月球的远方或火星的表面还要少。阻碍广泛的海底探索的一个巨大的挑战是为水下摄像机长时间供电的高成本。现在这样做正文摘要:根据

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根据科学家的估计，超过95%的地球海洋从未被观察过，这意味着我们看到我们星球的海洋比我们看到月球的远方或火星的表面还要少。阻碍广泛的海底探索的一个巨大的挑战是为水下摄像机长时间供电的高成本。现在这样做

正文摘要:

根据科学家的估计，超过95%的地球海洋从未被观察过，这意味着我们看到我们星球的海洋比我们看到月球的远方或火星的表面还要少。阻碍广泛的海底探索的一个巨大的挑战是为水下摄像机长时间供电的高成本。现在这样做需要把它拴在一艘研究船上，或者经常派船去给它的电池充电。麻省理工学院的工程师们已经迈出了克服这一问题的重要一步，开发了一种超高效的无电池无线水下摄像机。事实上，它比其他海底相机的能效高约10万倍。由于它不需要电源，该相机可以在收回之前连续运行数周，这将使科学家能够在海洋的偏远地区寻找新物种。为了保持尽可能低的功耗，工程师们使用了现成的超低功率成像传感器。
工程师开发出无电池无线水下相机究竟是怎么一回事，跟随小编一起看看吧。

根据科学家的估计，超过95%的地球海洋从未被观察过，这意味着我们看到我们星球的海洋比我们看到月球的远方或火星的表面还要少。阻碍广泛的海底探索的一个巨大的挑战是为水下摄像机长时间供电的高成本。现在这样做需要把它拴在一艘研究船上，或者经常派船去给它的电池充电。

麻省理工学院的工程师们已经迈出了克服这一问题的重要一步，开发了一种超高效的无电池无线水下摄像机。事实上，它比其他海底相机的能效高约10万倍。即使在黑暗的水下环境中，该设备也能拍摄彩色照片，并通过水无线传输图像数据。

使得这种自主相机特别独特的是，它是由声音驱动的。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，该相机还使用声波将数据传输到一个可以重建图像的接收器。

由于它不需要电源，该相机可以在收回之前连续运行数周，这将使科学家能够在海洋的偏远地区寻找新物种。它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情况。

由压电材料制成的传感器被放置在相机的外部，用来获取能量。压电材料在受到机械力的作用时产生电信号。当穿过水的声波碰到传感器时，它们就会振动，机械能被转化为电能。这些声波可能来自任何来源，如经过的船只或海洋生物。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。

为了保持尽可能低的功耗，工程师们使用了现成的超低功率成像传感器。然而，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。他们使用红色、绿色和蓝色LED同时解决了这两个问题。当相机捕捉到一个图像时，它照亮一个红色LED，然后使用图像传感器来拍摄照片。它用绿色和蓝色LED重复同样的过程。

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麻省理工学院开发的无电池无线水下相机可以有许多用途，包括气候建模。“我们缺少超过95%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，“副教授Faddle Adib说。

新的水下相机可以帮助科学家探索海洋的未知区域，跟踪污染或监测气候变化的影响。

根据科学家的估计，超过95%的地球海洋从未被观测到过，这意味着我们看到的地球海洋比我们在月球的远端或火星表面看到的要少。

阻止广泛的海底勘探的一个严峻挑战是长时间为水下相机供电的高成本。现在这样做需要将其连接到研究船上，或者经常派遣一艘船为其电池充电。

麻省理工学院的工程师们通过开发一种超高效的无电池无线水下相机，迈出了克服这个问题的重要一步。事实上，它的能效比其他海底相机高出约10万倍。即使在黑暗的水下环境中，该设备也可以拍摄彩色照片并通过水无线传输图像数据。

这款自主摄像头的独特之处在于它由声音驱动。它将穿过水的声波的机械能转化为电能，为其成像和通信设备提供动力。在捕获和编码图像数据后，相机还使用声波将数据传输到可以重建图像的接收器。

Fadel Adib（左）电气工程和计算机科学系副教授，麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任，以及研究助理Waleed Akbar展示了他们小组开发的无电池无线水下相机。

因为它不需要电源，所以相机可以在检索之前连续运行数周，这将使科学家能够搜索海洋的偏远地区寻找新物种。它还可用于捕捉海洋污染的图像或监测水产养殖场养殖鱼类的健康和生长。

“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。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，“一篇关于该系统的新论文的资深作者Fadel Adib说。他是电气工程和计算机科学系的副教授，也是麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组的主任。

加入Adib论文的是共同主要作者和信号动力学小组研究助理赛义德·萨阿德·阿夫扎尔，瓦利德·阿克巴和奥斯维·罗德里格斯，以及研究科学家Unsoo Ha，以及前小组研究员马里奥·杜梅特和礼萨·加法里瓦尔达瓦格。该论文今天（2022年9月26日）发表在《自然通讯》杂志上。

无电池

为了制造一种可以长时间自主运行的相机，科学家们需要一种可以在水下单独收集能量而消耗很少的功率的设备。

由压电材料制成的换能器放置在相机外部周围，用于获取能量。当压电材料施加机械力时，它们会产生电信号。当穿过水的声波撞击换能器时，它们会振动，机械能被转换为电能。

这些声波可能来自任何来源，比如一艘过往的船或海洋生物。相机存储收集的能量，直到它积累了足够的能量来为拍照和通信数据的电子设备供电。

为了尽可能降低功耗，工程师们使用了现成的超低功耗成像传感器。但是，这些传感器仅捕获灰度图像。由于大多数水下环境缺乏光源，他们也需要开发低功耗闪光灯。

“我们试图尽可能地最小化硬件，这给如何构建系统、发送信息和执行图像重建带来了新的限制。这需要相当多的创造力来弄清楚如何做到这一点，“Adib说。

他们使用红色、绿色和蓝色 LED 同时解决了这两个问题。当相机捕获图像时，它会发光红色LED，然后使用图像传感器拍摄照片。它对绿色和蓝色 LED 重复相同的过程。

Akbar解释说，即使图像看起来黑白相间，红色，绿色和蓝色的光也会反射在每张照片的白色部分。当图像数据在后处理中合并时，可以从三个源图像重建彩色图像。

“当我们还是艺术课上的孩子时，我们被教导我们可以用三种基本颜色制作所有颜色。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，“他说。

发送有声数据

一旦捕获图像数据，它们就会被编码为位（1和0s），并使用称为水下反向散射的过程一次一个位地发送到接收器。接收器通过水将声波传输到相机，相机充当反射这些波的镜子。相机要么将波反射回接收器，要么将其镜子更改为吸收器，使其不会反射回来。

发射器旁边的水听器会感应信号是否从摄像机反射回来。如果它接收到一个信号，那就是一个位-1，如果没有信号，那就是一个位-0。系统使用此二进制信息来重建和后处理图像。

Afzal说：“由于整个过程只需要一个开关即可将设备从非反射状态转换为反射状态，因此功耗比典型的水下通信系统低五个数量级。

研究人员在几种水下环境中对相机进行了测试。在其中一次，他们捕捉了漂浮在新罕布什尔州池塘中的塑料瓶的彩色图像。他们还能够拍摄出如此高质量的非洲海星照片，以至于沿着其手臂的微小结节清晰可见。该设备还有效地在黑暗环境中反复对水下植物Aponogeton ulvaceus进行了一周的成像，以监测其生长情况。

现在他们已经展示了一个工作原型，工程师计划增强该设备，使其在实际环境中部署是可行的。他们希望增加相机的内存，以便它可以实时捕获照片，流式传输图像，甚至拍摄水下视频。

另一个目标是扩大相机的范围。他们成功地将数据传输到距离接收器40米（130英尺）的地方，但是将这个范围推得更宽将使相机能够在更多的水下环境中使用。

“这将为低功耗物联网设备以及水下监测和研究的研究开辟巨大的机会，”Haitham Al-Hassanieh说。他是伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校的电气和计算机工程助理教授，他没有参与这项研究。