該設備可以幫助科學家探索未知的海洋區域、追蹤污染或監測氣候變化的影響。

科學家估計，地球上超過 95% 的海洋從未被觀測到，這意味著我們看到的地球海洋比我們看到的月球背面或火星表面還少。

長時間為水下相機供電（將其拴在研究船或派船為其電池充電）的高成本是阻礙廣泛海底探索的一項艱巨挑戰。

麻省理工學院的研究人員通過開發一種無電池無線水下相機，為克服這個問題邁出了重要一步，該相機的能效比其他海底相機高 100,000 倍。該設備即使在黑暗的水下環境中也能拍攝彩色照片，并通過水中無線傳輸圖像數據。

自主攝像頭由聲音驅動。它將聲波在水中傳播的機械能轉化為電能，為其成像和通信設備提供動力。在捕獲和編碼圖像數據后，相機還使用聲波將數據傳輸到重建圖像的接收器。 

因為它不需要電源，相機可以在檢索前連續運行數周，使科學家能夠在海洋的偏遠地區搜索新物種。它還可用于捕捉海洋污染的圖像或監測水產養殖場養殖的魚類的健康和生長情況。

“對我個人而言，這款相機令人興奮的應用之一是在氣候監測方面。我們正在建立氣候模型，但我們缺少來自 95% 以上海洋的數據。這項技術可以幫助我們建立更準確的氣候模型，并更好地了解氣候變化如何影響海底世界，”麻省理工學院媒體實驗室電氣工程和計算機科學系副教授兼信號動力學小組主任 Fadel Adib 說，以及有關該系統的新論文的作者。

加入 Adib 的還有共同主要作者和 Signal Kinetics 小組研究助理 Sayed Saad Afzal、Waleed Akbar 和 Osvy Rodriguez，以及研究科學家 Unsoo Ha，以及前小組研究人員 Mario Doumet 和 Reza Ghaffarivardavagh。該論文今天發表在Nature Communications上。

無需電池

為了制造一個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自行收集能量同時消耗很少電力的設備。

相機使用放置在其外部的壓電材料制成的傳感器獲取能量。當對壓電材料施加機械力時，壓電材料會產生電信號。當穿過水中的聲波撞擊換能器時，它們會振動并將機械能轉換為電能。

這些聲波可能來自任何來源，例如過往的船只或海洋生物。相機存儲收集到的能量，直到它積累到足以為拍攝照片和通信數據的電子設備供電。

為了盡可能降低功耗，研究人員使用了現成的超低功耗成像傳感器。但這些傳感器只捕捉灰度圖像。而且由于大多數水下環境都沒有光源，他們也需要開發一種低功率閃光燈。

“我們試圖盡可能減少硬件，這對如何構建系統、發送信息和執行圖像重建產生了新的限制。弄清楚如何做到這一點需要相當多的創造力，”阿迪布說。

他們使用紅色、綠色和藍色 LED 同時解決了這兩個問題。當相機捕獲圖像時，它會點亮紅色 LED，然后使用圖像傳感器拍攝照片。它對綠色和藍色 LED 重復相同的過程。

Akbar 解釋說，盡管圖像看起來是黑白的，但紅色、綠色和藍色的光會在每張照片的白色部分反射。當圖像數據在后處理中進行組合時，可以重建彩色圖像。

“當我們還是美術課的孩子時，我們被告知可以使用三種基本顏色制作所有顏色。我們在計算機上看到的彩色圖像也遵循同樣的規則。我們只需要紅色、綠色和藍色——這三個通道——來構建彩色圖像，”他說。

用聲音發送數據

捕獲圖像數據后，它們將被編碼為比特（1 和 0），并使用稱為水下反向散射的過程一次一位地發送到接收器。接收器通過水將聲波傳輸到相機，相機充當反射這些聲波的鏡子。相機要么將波反射回接收器，要么將其反射鏡變為吸收器，使其不會反射回來。

發射器旁邊的水聽器可以感應信號是否從相機反射回來。如果它收到一個信號，那就是bit-1，如果沒有信號，那就是bit-0。系統使用此二進制信息來重建和后處理圖像。

“整個過程，因為它只需要一個開關即可將設備從非反射狀態轉換為反射狀態，因此比典型的水下通信系統消耗的功率少五個數量級，”Afzal 說。

研究人員在幾個水下環境中測試了相機。其中，他們拍攝了漂浮在新罕布什爾州池塘中的塑料瓶的彩色圖像。他們還能夠為非洲海星拍攝如此高質量的照片，以至于其手臂上的小結節清晰可見。該設備還可以有效地在一周的時間內在黑暗環境中對水下植物Aponogeton ulvaceus進行反復成像，以監測其生長情況。

現在他們已經展示了一個工作原型，研究人員計劃增強該設備，使其在實際環境中的部署變得實用。他們希望增加相機的內存，以便實時拍攝照片、流式傳輸圖像，甚至拍攝水下視頻。

他們還想擴大相機的范圍。他們成功地在距離接收器 40 米的地方傳輸了數據，但擴大該范圍將使相機能夠在更多的水下環境中使用。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校電氣和計算機工程助理教授 Haitham Al-Hassanieh 說：“這將為低功耗物聯網設備以及水下監測和研究領域的研究開辟巨大機遇。”不參與這項研究。

這項研究得到了海軍研究辦公室、斯隆研究獎學金、科學基金會、麻省理工學院媒體實驗室和海洋利用 Doherty 主席的部分支持。