該設(shè)備可以幫助科學(xué)家探索海洋的未知區(qū)域，追蹤污染，或監(jiān)測氣候變化的影響。

美國麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的一種無電池的無線水下相機(jī)可以有很多用途，包括氣候建模。該產(chǎn)品的其中之一的開發(fā)者、學(xué)院的Fadel Adib副教授說："我們?nèi)鄙俪^95%的海洋的數(shù)據(jù)。這項技術(shù)可以幫助我們建立更準(zhǔn)確的氣候模型，更好地了解氣候變化如何影響水下世界。"

科學(xué)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(jī)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(zhàn)。

MIT的研究人員通過開發(fā)一種無電池、無線水下相機(jī)，其能源效率比其他海底相機(jī)高約 100,000 倍，為克服這個問題邁出了重要一步。該設(shè)備即使在黑暗的水下環(huán)境中也能拍攝彩色照片，并通過水中無線傳輸圖像數(shù)據(jù)。

自主攝像頭由聲音驅(qū)動。它將聲波在水中傳播的機(jī)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)據(jù)后，相機(jī)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，相機(jī)可以在檢索前連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，使科學(xué)家能夠在海洋的偏遠(yuǎn)地區(qū)搜索新物種。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)殖的魚類的健康和生長情況。

MIT媒體實驗室電氣工程和計算機(jī)科學(xué)系副教授兼信號動力學(xué)組主任 Fadel Adib 說：“對我個人而言，這款相機(jī)最令人興奮的應(yīng)用之一是在氣候監(jiān)測方面。我們正在建立氣候模型，但我們?nèi)鄙賮碜?95% 以上海洋的數(shù)據(jù)。這項技術(shù)可以幫助我們建立更準(zhǔn)確的氣候模型，并更好地了解氣候變化如何影響海底世界?！?/p>

與Adib一起撰寫這篇論文的還有共同第一作者和信號動力學(xué)組的研究助理Signal Kinetics 、 Sayed Saad Afzal、Waleed Akbar 和 Osvy Rodriguez，以及研究科學(xué)家 Unsoo Ha，以及前小組研究人員 Mario Doumet 和 Reza Ghaffarivardavagh。該論文今天發(fā)表在Nature Communications上。

無需電池

為了建立一個能夠長期自主運(yùn)行的相機(jī)，研究人員需要一個能夠在水下自行收集能量的裝置，同時消耗很少的電力。

該相機(jī)使用由壓電材料制成的傳感器獲取能量，這些傳感器放置在相機(jī)外部。壓電材料在受到機(jī)械力的作用時產(chǎn)生電信號。當(dāng)穿過水的聲波碰到傳感器時，它們會振動并將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

這些聲波可能來自任何來源，如過往船只或海洋生物。照相機(jī)儲存收獲的能量，直到它積累到足以為拍攝照片和通信數(shù)據(jù)的電子裝置供電。

為了保持盡可能低的功耗，研究人員使用了現(xiàn)成的超低功率成像傳感器。但是這些傳感器只能捕獲灰度圖像。而且，由于大多數(shù)水下環(huán)境缺乏光源，他們也需要開發(fā)一個低功率的閃光燈。

"我們試圖盡可能地減少硬件，這對如何建立系統(tǒng)、發(fā)送信息和進(jìn)行圖像重建產(chǎn)生了新的限制。“Adib說："我們花了相當(dāng)大的創(chuàng)造力才想出這個辦法。“

他們使用紅色、綠色和藍(lán)色LED同時解決了這兩個問題。當(dāng)相機(jī)捕捉到一個圖像時，它照亮一個紅色LED，然后使用圖像傳感器來拍攝照片。它用綠色和藍(lán)色LED重復(fù)同樣的過程。

Akbar解釋說，盡管圖像看起來是黑白的，但紅、綠、藍(lán)三色的光在每張照片的白色部分都有反射。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)在后期處理中被結(jié)合起來時，就可以重建彩色圖像了。

"當(dāng)我們還是孩子的時候，在美術(shù)課上，我們被教導(dǎo)可以用三種基本顏色來制作所有的顏色。對于我們在電腦上看到的彩色圖像，也遵循同樣的規(guī)則。我們只需要紅色、綠色和藍(lán)色--這三個通道--來構(gòu)建彩色圖像。"

MIT媒體實驗室電氣工程與計算機(jī)科學(xué)系副教授兼信號動力學(xué)組主任 Fadel Adib（左）和研究助理 Waleed Akbar 展示了他們小組開發(fā)的無電池?zé)o線水下相機(jī)。

用聲音發(fā)送數(shù)據(jù)

一旦捕捉到圖像數(shù)據(jù)，它們就被編碼為比特（1和0），并通過一個稱為水下反向散射的過程，一次一個比特地發(fā)送到接收器。接收器將聲波通過水傳送到照相機(jī)，照相機(jī)就像一面鏡子，反射這些波。相機(jī)要么將波反射回接收器，要么將其鏡子改為吸收器，這樣就不會反射回來。

發(fā)射器旁邊的一個水聽器感知是否有信號從攝像機(jī)反射回來。如果它收到一個信號，那就是位1，如果沒有信號，那就是位0。該系統(tǒng)使用這種二進(jìn)制信息來重建和后處理圖像。

Afzal說："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)轉(zhuǎn)換為反射狀態(tài)，所以比典型的水下通信系統(tǒng)消耗的功率要少五個數(shù)量級?！?/p>

研究人員在幾個水下環(huán)境中測試了該相機(jī)。在一個環(huán)境中，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。他們還能夠拍攝到非洲海星的高質(zhì)量照片，其手臂上的小瘤子清晰可見。該設(shè)備還能在一周內(nèi)對黑暗環(huán)境中的水下植物Aponogeton ulvaceus進(jìn)行反復(fù)成像，以監(jiān)測其生長。

現(xiàn)在，他們已經(jīng)展示了一個工作原型，研究人員計劃加強(qiáng)該設(shè)備，使其在現(xiàn)實世界環(huán)境中的部署是實用的。他們希望增加相機(jī)的內(nèi)存，以便它能夠?qū)崟r拍攝照片，流式圖像，甚至拍攝水下視頻。

他們還想擴(kuò)大相機(jī)的范圍。他們成功地在離接收器40米的地方傳輸了數(shù)據(jù)，但是把這個范圍推得更廣，將使相機(jī)能夠在更多的水下環(huán)境中使用。

美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校電氣和計算機(jī)工程助理教授Haitham Al-Hassanieh說："這將為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及水下監(jiān)測和研究開辟巨大的研究機(jī)會?！八麤]有參與這項研究。

美國麻省理工學(xué)院(MIT)的Hyperloop II團(tuán)隊由一組具有航空航天，機(jī)械，電氣和系統(tǒng)工程背景的多學(xué)科研究人員組成。

MIT四十名學(xué)生合作設(shè)計和制造了Hyperloop II，這是一種高速、無摩擦的車輛，旨在通過空氣懸浮技術(shù)來運(yùn)載人員或貨物。Hyperloop與許多需要軌道或在真空管運(yùn)行軌道列車不同，這款模型僅需要平坦的表面并能在氣墊上行駛。它不依賴昂貴的磁性系統(tǒng)為其懸浮提供動力，不需要高昂的真空環(huán)境。

Hyperloop II是2019年在SpaceX Hyperloop Pod競賽中唯一以其功能齊全的空氣懸浮吊艙而聞名。這是一項年度的超級環(huán)形高鐵車廂大賽大賽，SpaceX公司旨在鼓勵開發(fā)新的運(yùn)輸方式。該團(tuán)隊在去年比賽中排名第5，并獲得了創(chuàng)新獎。因為大火摧毀了原始原型后，三周后該團(tuán)隊再次對其軌道車進(jìn)行了大幅度修改。

美國MIT開發(fā)的AirLev是第一款電動高速無摩擦空氣懸浮軌道車，旨在通過其空氣懸浮技術(shù)來運(yùn)載人員或貨物。該團(tuán)隊在2019年的SpaceX-Hyperloop大賽上展示了升級版-Hyperloop II，該軌道車在20秒內(nèi)，以0到200 mph(時速200英里/352公里)迅速提升。