美国麻省理工学院（MIT）的研究人员已经开发出一种带有长寿命电池的水下相机，使他们能够探索深海并获得有关气候变化的数据。

科学家们估计，地球上95%以上的海洋从未被观察过。这意味着我们看到的我们星球的海洋比我们在月球的远端或火星表面观察到的要少。长时间为水下摄像机供电的高成本--通过将其捆绑在研究船上或派船为电池充电--是阻碍广泛的水下探索的一个主要挑战。

美国麻省理工学院的研究人员已经采取了一个重要步骤来克服这个问题。他们已经开发出一种无需电池的无线水下摄像机，比其他水下摄像机的能效高约10万倍。该设备即使在黑暗的水下环境中也能拍摄彩色照片，并通过水无线传输图像数据。

从波浪能到电力

自主摄像机是由声音驱动的。它将声波在水中传播的机械能转换为电能，从而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一个重建图像的接收器。

由于它不需要电源，该相机可以在恢复之前运行数周，使科学家能够在海洋的偏远地区搜索新的物种。它还可以用来捕捉海洋污染的图像，或监测水产养殖场培育的鱼类的健康和生长。

“就个人而言，这种相机最有趣的应用之一是在气候监测方面。我们正在建立气候模型，但95%以上的海洋的数据都没有。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对水下世界的影响。”麻省理工学院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法德尔-阿迪布说，他是该系统一篇新论文的资深作者。与阿迪布一起的还有赛义德-萨阿德-阿夫扎尔、瓦利德-阿克巴、奥斯维-罗德里格斯，以及研究科学家Unsoo Ha，以及前小组研究人员马里奥-杜梅特和雷扎-加法里瓦达瓦格。这篇论文今天发表在《自然通讯》上。

迈向无电池化

为了建立一个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，消耗非常少的电力。

该相机通过放置在其外部的压电材料制成的传感器来获取能量。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，如经过的船只或海洋生物。相机将收集到的能量储存起来，直到它积累到足以为拍照和通信数据所需的电子装置供电。

为了保持尽可能低的能耗，研究人员使用了超低功率的成像传感器。但这些传感器只能捕获灰度图像。此外，由于大多数水下环境没有光源，他们还必须开发一种低功率的闪光灯。"我们正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产生了新的限制。阿迪布说："要想知道如何做到这一点，需要很大的创造力。

他们通过使用红色、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，它会发出一个红色的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。"虽然图像以黑白显示，但红、绿、蓝光在每张照片的白色部分都有反射，"Akbar解释说。当图像数据在后处理中被合并时，可以重建彩色图像。

"当我们还是孩子的时候，在美术课上，我们被教导可以用三种基本颜色来做所有的颜色。同样的规则适用于我们在电脑上看到的彩色图像。我们只需要红色、绿色和蓝色--这三个通道--来构建彩色图像。"教授解释说。

通过声音发送数据

一旦捕捉到图像数据，它就被编码为比特（1和0），并通过一个被称为 "水下反散射 "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摄像机，摄像机作为一面镜子反射这些声波。摄像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检测是否有信号被摄像机反射。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。"阿夫扎尔说："因为它只需要一个开关就能将设备从非反射状态转换为反射状态，这个过程比典型的水下通信系统消耗的功率要少五个数量级。

研究人员在几个水下环境中测试了该相机。其中，他们在新罕布什尔州的一个池塘里拍摄了漂浮的塑料瓶的彩色图像。他们还能够为一只非洲海星拍摄到如此高质量的照片，以至于其手臂上的小瘤子都清晰可见。在一周的时间里，该设备还能有效地在黑暗环境中反复拍摄水下植物Aponogeton ulvaceus，以监测其生长情况。

一个充满潜力的发现

现在他们已经展示了一个工作原型，研究人员计划改进该设备，使其在现实世界中切实可行。

首先，他们希望增加相机的内存，使其能够拍摄实时照片、流媒体图像，甚至拍摄水下视频。他们还打算扩大该相机的范围。他们已经成功地将数据传输到距离接收器40米的地方，但如果有更大的范围，该相机可以在更多的水下环境中使用。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电气和计算机工程系助理教授Haitham Al-Hassanieh评论说："这将为低功耗物联网设备和水下监测与研究带来巨大的机会，他没有参与这项研究。

该研究部分由海军研究办公室、斯隆研究奖学金、国家科学基金会、麻省理工学院媒体实验室和海洋利用领域的多尔蒂教席支持。