美國麻省理工學院（MIT）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種帶有長壽命電池的水下相機，使他們能夠探索深海并獲得有關氣候變化的數(shù)據(jù)。

科學家們估計，地球上95%以上的海洋從未被觀察過。這意味著我們看到的我們星球的海洋比我們在月球的遠端或火星表面觀察到的要少。長時間為水下攝像機供電的高成本--通過將其捆綁在研究船上或派船為電池充電--是阻礙廣泛的水下探索的一個主要挑戰(zhàn)。

美國麻省理工學院的研究人員已經(jīng)采取了一個重要步驟來克服這個問題。他們已經(jīng)開發(fā)出一種無需電池的無線水下攝像機，比其他水下攝像機的能效高約10萬倍。該設備即使在黑暗的水下環(huán)境中也能拍攝彩色照片，并通過水無線傳輸圖像數(shù)據(jù)。

從波浪能到電力

自主攝像機是由聲音驅動的。它將聲波在水中傳播的機械能轉換為電能，從而為其成像和通信設備提供動力。在捕獲和編碼圖像數(shù)據(jù)后，相機還使用聲波將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€重建圖像的接收器。

由于它不需要電源，該相機可以在恢復之前運行數(shù)周，使科學家能夠在海洋的偏遠地區(qū)搜索新的物種。它還可以用來捕捉海洋污染的圖像，或監(jiān)測水產(chǎn)養(yǎng)殖場培育的魚類的健康和生長。

“就個人而言，這種相機最有趣的應用之一是在氣候監(jiān)測方面。我們正在建立氣候模型，但95%以上的海洋的數(shù)據(jù)都沒有。這項技術可以幫助我們建立更準確的氣候模型，更好地了解氣候變化對水下世界的影響。”麻省理工學院媒體實驗室電子工程和計算機科學系副教授兼信號動力學小組主任法德爾-阿迪布說，他是該系統(tǒng)一篇新論文的資深作者。與阿迪布一起的還有賽義德-薩阿德-阿夫扎爾、瓦利德-阿克巴、奧斯維-羅德里格斯，以及研究科學家Unsoo Ha，以及前小組研究人員馬里奧-杜梅特和雷扎-加法里瓦達瓦格。這篇論文今天發(fā)表在《自然通訊》上。

邁向無電池化

為了建立一個能夠長期自主運行的相機，研究人員需要一個能夠在水下自行收集能量的設備，消耗非常少的電力。

該相機通過放置在其外部的壓電材料制成的傳感器來獲取能量。壓電材料在受到機械力的作用時產(chǎn)生電信號。當穿過水的聲波碰到傳感器時，它們會振動并將機械能轉換成電能。

這些聲波可能來自任何來源，如經(jīng)過的船只或海洋生物。相機將收集到的能量儲存起來，直到它積累到足以為拍照和通信數(shù)據(jù)所需的電子裝置供電。

為了保持盡可能低的能耗，研究人員使用了超低功率的成像傳感器。但這些傳感器只能捕獲灰度圖像。此外，由于大多數(shù)水下環(huán)境沒有光源，他們還必須開發(fā)一種低功率的閃光燈。"我們正試圖盡可能地減少硬件，這對如何建立系統(tǒng)、發(fā)送信息和進行圖像重建產(chǎn)生了新的限制。阿迪布說："要想知道如何做到這一點，需要很大的創(chuàng)造力。

他們通過使用紅色、綠色和藍色LED同時解決了這兩個問題。當相機捕捉到一個圖像時，它會發(fā)出一個紅色的LED，然后使用圖像傳感器來拍攝照片。它用綠色和藍色LED重復同樣的過程。"雖然圖像以黑白顯示，但紅、綠、藍光在每張照片的白色部分都有反射，"Akbar解釋說。當圖像數(shù)據(jù)在后處理中被合并時，可以重建彩色圖像。

"當我們還是孩子的時候，在美術課上，我們被教導可以用三種基本顏色來做所有的顏色。同樣的規(guī)則適用于我們在電腦上看到的彩色圖像。我們只需要紅色、綠色和藍色--這三個通道--來構建彩色圖像。"教授解釋說。

通過聲音發(fā)送數(shù)據(jù)

一旦捕捉到圖像數(shù)據(jù)，它就被編碼為比特（1和0），并通過一個被稱為 "水下反散射 "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攝像機，攝像機作為一面鏡子反射這些聲波。攝像機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檢測是否有信號被攝像機反射。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)使用這種二進制信息來重建和后處理圖像。"阿夫扎爾說："因為它只需要一個開關就能將設備從非反射狀態(tài)轉換為反射狀態(tài)，這個過程比典型的水下通信系統(tǒng)消耗的功率要少五個數(shù)量級。

研究人員在幾個水下環(huán)境中測試了該相機。其中，他們在新罕布什爾州的一個池塘里拍攝了漂浮的塑料瓶的彩色圖像。他們還能夠為一只非洲海星拍攝到如此高質量的照片，以至于其手臂上的小瘤子都清晰可見。在一周的時間里，該設備還能有效地在黑暗環(huán)境中反復拍攝水下植物Aponogeton ulvaceus，以監(jiān)測其生長情況。

一個充滿潛力的發(fā)現(xiàn)

現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了一個工作原型，研究人員計劃改進該設備，使其在現(xiàn)實世界中切實可行。

首先，他們希望增加相機的內(nèi)存，使其能夠拍攝實時照片、流媒體圖像，甚至拍攝水下視頻。他們還打算擴大該相機的范圍。他們已經(jīng)成功地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄嚯x接收器40米的地方，但如果有更大的范圍，該相機可以在更多的水下環(huán)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系助理教授Haitham Al-Hassanieh評論說："這將為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備和水下監(jiān)測與研究帶來巨大的機會，他沒有參與這項研究。

該研究部分由海軍研究辦公室、斯隆研究獎學金、國家科學基金會、麻省理工學院媒體實驗室和海洋利用領域的多爾蒂教席支持。

美國麻省理工學院(MIT)的Hyperloop II團隊由一組具有航空航天，機械，電氣和系統(tǒng)工程背景的多學科研究人員組成。

MIT四十名學生合作設計和制造了Hyperloop II，這是一種高速、無摩擦的車輛，旨在通過空氣懸浮技術來運載人員或貨物。Hyperloop與許多需要軌道或在真空管運行軌道列車不同，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)新的運輸方式。該團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，三周后該團隊再次對其軌道車進行了大幅度修改。

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來運載人員或貨物。該團隊在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。