受蝦眼啟發的水下GPS
2018-05-11 12:28:50 來源:
環球科學 
大堡礁的潛水之旅或能揭開一種制造在水下工作的類似GPS的傳感器的新方法。這種裝置的基礎來源于一項近期的科學發現：即海洋動物可以通過光在水中的特征偏振模式感知地理位置。
幾年前，美國和澳大利亞研究者受到螳螂蝦（mantis shrimp ，網絡俗稱皮皮蝦）眼睛的啟發，發明了一種特殊的相機。螳螂蝦的眼睛可以看見光波的偏振模式，這種模式類似于繩子上下抖動一樣。這意味著一旦光進入水中并且發生折射或散射，仿生相機就能夠探測光偏振模式的變化。
如今研究者們意識到他們可以用水下偏振模式來推斷太陽的方位——同時也可據此計算出相機本身的位置。
目前，相機和軟件的局限性在于水下GPS方法只能精確到60千米以內。這看起來似乎誤差范圍相當大，但是考慮到地球上海洋面積的大小，并且每片海域都有數千萬平方千米，因此這個結果仍然是相當有意義的。該項研究的具體內容發表在2018年4月4日的Science Advances雜志上。
“我們可以通過使用更好的相機并且開發新的機器學習算法來改善這種定位方法，從而改進位置估算的能力，”Viktor Gruev說，他是伊利諾伊大學香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的電氣和計算機工程師，“相信不久之后，我們將會獲得1千米以內的精確度。”
傳統的GPS技術基于來自衛星的無線電信號，這種技術無法應用于海底，因為水下不利于無線電信號的傳播。相比之下，Gruev和他的同事們展示了光偏振方法可以應用在海面以下50米左右的深處進行水下定位。
他們得到的結果出人意料，因為許多海洋生物學家一直認為，只有從水平方向看，透過水傳播的光才會發生偏振。上述觀點使得從分析入射到海洋深處的太陽光來獲得有用的定位信息變得非常困難。
但是，生物學家們也知道很多海洋生物似乎也像陸棲動物或鳥一樣，擁有對偏振敏感的眼睛來進行水下捕食或導航。
Gruev指出，對于偏振模式的早期結論很大程度上是以對水下環境的不完整測量和不完善數學模型為基礎的。而他們發明的這種相機顯示，其實能夠從許多不同的角度探測和測量太陽光的偏振模式。
在去大堡礁的實地潛水考察期間，Gruev和他的同事們注意到水下環境中的背景偏振模式似乎隨著一天內的不同時間以及觀測的角度而改變。
后來Gruev回到實驗室，開始和澳大利亞昆士蘭大學（University of Queensland）大腦研究所（Brain Institute）的一名博士后研究員Samuel Powell一起分析偏振模式，隨后他們意識到偏振模式會隨著太陽在天空中的位置而變化。
此發現促使研究者們在未來的四年內分別于世界上幾個不同的位置實施相似的水下測試。他們也在不同的天氣條件和不同的海底深度測試了他們的方法。
“我們假設即使海洋動物不能看見天空，然而由于背景水中存在偏振，它們身上也有可能實現水下導航，”Gruev說，“這與海洋生物學家迄今所認識到的有根本上的不同。”
除了仿生學相機，該研究團隊還使用電子指南針和傾角傳感器來收集必要的數據進行所有的定位計算。他們也用機器學習算法來分析定位數據，同時納入那些對偏振模式有影響、但人們知之甚少的物理現象。
研究者們希望縮小當前新版本水下GPS的誤差范圍來使它更實用。減小誤差的方法之一是建造更精確的儀器。但是更大的難點在于，從光偏振模式導出地理位置信息的軟件存在尋址錯誤，Gruev說。
“我不認為我們能夠完全理解或是預測當來自于太陽的光被放置于水下的傳感器收集時，它們的偏振特性如何改變。許多因素會影響水下偏振，包括空氣中和水面下的污染。我們需要設計新的信號處理方案來預測所有影響因素并改善儀器的靈敏性。”
當那個難點解決后，Gruev設想將此項技術應用于類似“成群GoPro模樣的小相機”的水下機器人，使它們能夠用水下GPS能力來幫助發現新的海洋物種、找到失蹤的沉船和提供更多關于海洋環境如何改變的信息。可以相信，在民用和軍用界都有對此感興趣的客戶。
作者簡介：
Jeremy Hsu，2008年開始在紐約從事科技記者的工作。他寫過各種各樣的課題，如超級計算和可穿戴的電子設備等，均發表于美國電氣和電子工程師學會會刊（IEEE Spectrum）上。他在會刊上發表量子計算進展的閑暇之余，也會為科學美國人（Scientific American）、 發現（Discover）、大眾科學 （Popular Science）等雜志撰稿。同時，他也是紐約大學科學、健康和環境課題的研究生。
（翻譯：壯琛；審校：戴晨）
文章來源：
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/robotics/robotics-software/underwater-gps-inspired-by-shrimp-eyes
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