受虾眼启发的水下GPS
2018-05-11 12:28:50 来源:
环球科学 
大堡礁的潜水之旅或能揭开一种制造在水下工作的类似GPS的传感器的新方法。这种装置的基础来源于一项近期的科学发现：即海洋动物可以通过光在水中的特征偏振模式感知地理位置。
几年前，美国和澳大利亚研究者受到螳螂虾（mantis shrimp ，网络俗称皮皮虾）眼睛的启发，发明了一种特殊的相机。螳螂虾的眼睛可以看见光波的偏振模式，这种模式类似于绳子上下抖动一样。这意味着一旦光进入水中并且发生折射或散射，仿生相机就能够探测光偏振模式的变化。
如今研究者们意识到他们可以用水下偏振模式来推断太阳的方位——同时也可据此计算出相机本身的位置。
目前，相机和软件的局限性在于水下GPS方法只能精确到60千米以内。这看起来似乎误差范围相当大，但是考虑到地球上海洋面积的大小，并且每片海域都有数千万平方千米，因此这个结果仍然是相当有意义的。该项研究的具体内容发表在2018年4月4日的Science Advances杂志上。
“我们可以通过使用更好的相机并且开发新的机器学习算法来改善这种定位方法，从而改进位置估算的能力，”Viktor Gruev说，他是伊利诺伊大学香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的电气和计算机工程师，“相信不久之后，我们将会获得1千米以内的精确度。”
传统的GPS技术基于来自卫星的无线电信号，这种技术无法应用于海底，因为水下不利于无线电信号的传播。相比之下，Gruev和他的同事们展示了光偏振方法可以应用在海面以下50米左右的深处进行水下定位。
他们得到的结果出人意料，因为许多海洋生物学家一直认为，只有从水平方向看，透过水传播的光才会发生偏振。上述观点使得从分析入射到海洋深处的太阳光来获得有用的定位信息变得非常困难。
但是，生物学家们也知道很多海洋生物似乎也像陆栖动物或鸟一样，拥有对偏振敏感的眼睛来进行水下捕食或导航。
Gruev指出，对于偏振模式的早期结论很大程度上是以对水下环境的不完整测量和不完善数学模型为基础的。而他们发明的这种相机显示，其实能够从许多不同的角度探测和测量太阳光的偏振模式。
在去大堡礁的实地潜水考察期间，Gruev和他的同事们注意到水下环境中的背景偏振模式似乎随着一天内的不同时间以及观测的角度而改变。
后来Gruev回到实验室，开始和澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland）大脑研究所（Brain Institute）的一名博士后研究员Samuel Powell一起分析偏振模式，随后他们意识到偏振模式会随着太阳在天空中的位置而变化。
此发现促使研究者们在未来的四年内分别于世界上几个不同的位置实施相似的水下测试。他们也在不同的天气条件和不同的海底深度测试了他们的方法。
“我们假设即使海洋动物不能看见天空，然而由于背景水中存在偏振，它们身上也有可能实现水下导航，”Gruev说，“这与海洋生物学家迄今所认识到的有根本上的不同。”
除了仿生学相机，该研究团队还使用电子指南针和倾角传感器来收集必要的数据进行所有的定位计算。他们也用机器学习算法来分析定位数据，同时纳入那些对偏振模式有影响、但人们知之甚少的物理现象。
研究者们希望缩小当前新版本水下GPS的误差范围来使它更实用。减小误差的方法之一是建造更精确的仪器。但是更大的难点在于，从光偏振模式导出地理位置信息的软件存在寻址错误，Gruev说。
“我不认为我们能够完全理解或是预测当来自于太阳的光被放置于水下的传感器收集时，它们的偏振特性如何改变。许多因素会影响水下偏振，包括空气中和水面下的污染。我们需要设计新的信号处理方案来预测所有影响因素并改善仪器的灵敏性。”
当那个难点解决后，Gruev设想将此项技术应用于类似“成群GoPro模样的小相机”的水下机器人，使它们能够用水下GPS能力来帮助发现新的海洋物种、找到失踪的沉船和提供更多关于海洋环境如何改变的信息。可以相信，在民用和军用界都有对此感兴趣的客户。
作者简介：
Jeremy Hsu，2008年开始在纽约从事科技记者的工作。他写过各种各样的课题，如超级计算和可穿戴的电子设备等，均发表于美国电气和电子工程师学会会刊（IEEE Spectrum）上。他在会刊上发表量子计算进展的闲暇之余，也会为科学美国人（Scientific American）、 发现（Discover）、大众科学 （Popular Science）等杂志撰稿。同时，他也是纽约大学科学、健康和环境课题的研究生。
（翻译：壮琛；审校：戴晨）
文章来源：
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/robotics/robotics-software/underwater-gps-inspired-by-shrimp-eyes
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