小米智能摄像机延时摄像（MIT打造不需要电池的水下摄像机）
小米智能摄像机延时摄像（MIT打造不需要电池的水下摄像机）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。图：水下反向散射成像原理示意图：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。这个相机是由声音驱动的。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，使用声波将数据传输到一个接收器上，重建图像。
编辑：David 武穆
【新智元导读】最近，麻省理工的研究人员打造了一款无需电池的无线水下相机，该设备可以帮助科学家探索未知的海洋区域、追踪污染或监测气候变化的影响。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，一般要将水下摄像机拴在研究船只上，或专门派出船只，为水下摄像机的电池充电，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。
这个相机是由声音驱动的。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，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。
该论文今天发表在《自然·通信》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摄像机反射回来。
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。」
参考资料：
https://news.mit.edu/2022/battery-free-wireless-underwater-camera-0926
https://www.nature.com/articles/s41467-022-33223-x
