麻省理工学院打造不需要电池的水下相机

MEMS 2022-09-29 00:00

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,一般要将水下相机拴在研究船只上,或专门派出船只,为水下相机的电池充电,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。


该相机是由声波驱动的。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。


该论文近日发表在《自然·通信》期刊上。


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相机反射回来。


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

延伸阅读:

《光谱成像市场和趋势-2022版》

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》

MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论 (0)
我要评论
0
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦