新型相機：模仿皮皮蝦眼睛，可用於水下定位導航！
背景
全球衛星導航系統，例如美國GPS系統、中國北斗系統、俄羅斯格洛納斯系統、歐盟伽利略系統，都是基於衛星的無線電導航定位系統，可以為手機、電子產品、地面車輛、水面艦船、空中飛機，提供精準的定位與導航服務。
但是，衛星導航定位系統的信號是通過無線電波發送的，無線電波卻很難穿透厚厚水層。因而，在水下潛航的潛艇、無人潛航器無法直接利用全球衛星定位導航體系終端，來完成定位導航使命。
然而，聲波在水中進行觀察和測量時，具有得天獨厚的優勢：傳輸距離遠、穿透力強。科學家們往往藉助聲波在水下的傳播特性，完成對於水下目標的探測、定位和通信。例如，筆者曾介紹過西班牙 IMDEA Networks 和以色列海法大學合作開發的水聲定位系統。
（圖片來源： IMDEA Networks）
除了無線電波和聲波，還有一種可用於定位導航的波，就是光波。偏振光導航是自然界中生物與生俱來的導航方法之一。許多動物，例如：螞蟻、蜜蜂、蟋蟀和候鳥，都有偏振光視覺系統，可利用太陽光在大氣中散射的偏振特性進行導航。
創新
今天，我們要重點介紹利用偏振光在水下進行定位導航。在人眼中，海水下的環境好似一幅平淡無奇的暗藍色畫面；可是在許多習慣水中生活的動物眼睛中，水下畫面是一幅具有偏振圖像的宏大景象。蝦蛄，又稱「皮皮蝦」，正是這樣一種習慣在水中生活的動物，它的眼睛可以採集到偏振光信息。
（圖片來源：維基百科）
美國伊利諾伊大學（University of Illinois）的研究人員模仿皮皮蝦眼睛設計出一種受生物啟發的相機，採集偏振光信息，開發出一種新型水下全球定位系統。該研究發表於《科學進展（Science Advances）》，首次展示了利用水下偏振光信息的水下無源全球定位系統。這項技術將為水下導航系統以及理解海洋動物的遷徙行為，打開新的可能性。
（圖片來源：Viktor Gruev）
技術
該相機是一種偏振光成像儀，以啟發它的皮皮蝦命名，稱為「皮皮蝦相機」（Mantis Cam）。當光線透過水麵產生折射並在水中發生散射時，這種相機正好利用了光線折射或者散射的偏振特性。
（圖片來源：參考資料【2】）
這項研究的領頭人、伊利諾伊大學電氣與計算機工程系教授、Carle Illinois 醫學院教授 Viktor Gruev 表示：「我們與海洋生物學家一起，採集了全世界的水下偏振光數據，並注意到水中的偏振光圖像在持續改變。這完全不同於生物學家對於水下偏振光信息的想法，他們認為這些圖像是相機失靈引起的，而我們對於自己的技術非常有把握，我們知道這種現象能為進一步的研究提供線索。」
回到實驗室之後，Gruev 與論文合著者之一、研究生 Samuel Powell 認為，水下偏振圖像是太陽與圖像採集點之間的相對位置導致的。他們發現，水下偏振圖像可用於評估太陽的方位角和高度角，加上拍攝的日期和時間，就可以計算出他們所處的GPS坐標。
（圖片來源：參考資料【2】）
伊利諾伊大學貝克曼高級科學技術研究所成員 Gruev 說：「通過將生物啟發的相機與電子羅盤以及傾角感測器相結合，我們在全球不同地點、不同水下深度、不同氣流條件、不同時間測量水下偏振光數據，對我們的水下全球定位系統方案進行測試。我們發現，我們能在61千米精度範圍內，定位我們在地球上所處的位置。」
（圖片來源：參考資料【2】）
價值
這項技術為人類和機器人採用偏振光的視覺線索，更好地在水下導航，打開新的途徑。Powell 表示：「我們能夠採用我們的水下全球定位系統幫助定位失蹤的航空器，甚至創建出海底的詳細地圖。裝備有我們的感測器的機器人集群，可以提供水下遙感的低成本方案，比現有方案更划算。」
這項研究也將帶來對於許多海洋物種的遷徙行為帶來新觀點。Gruev 表示：「例如，海龜和鰻魚等動物，很可能使用大量的感測器，在跨越幾千英裏海洋的旅程中，導航每年遷徙的路徑。這些感測器也包含了磁力、嗅覺以及我們研究所闡述的基於偏振光信息的視覺線索。」
另一方面，這項技術有望幫助研究人員搞清楚，污染物是怎樣改變對偏振光敏感的動物的遷徙路徑的。Gruev 表示：「空氣和水中的污染物的增加很可能改變水下偏振光圖像，引起水下環境與許多動物已經學習到的環境不同。一些長距離遷徙動物，例如鯨魚，會發矇和誤入歧途。」
Gruev 稱，例如更多的鯨魚變成在加州海岸滯留，這是我們之前從未觀察到的。他說：「也許，污染物是間接的罪魁禍首，因為它影響了遷徙行為所需的水下偏振光圖像。」
關鍵字
光學、偏振、仿生學、相機
參考資料
【1】https://news.illinois.edu/view/6367/635061
【2】Samuel B. Powell, Roman Garnett, Justin Marshal, Charbel Rizk, Viktor Gruev.Bioinspired polarization vision enables underwater geolocalization.Science Advances 04 Apr 2018; Vol. 4, no. 4, eaao6841 DOI: 10.1126/sciadv.aao6841
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