Rejeinspireret kamera muliggør muligvis undervandsnavigation

Undervandsmiljøet kan virke for det menneskelige øje som kedeligt blåt, funktionsløs plads. Imidlertid, et stort landskab af polarisationsmønstre vises, når de ses gennem et kamera, der er designet til at se verden gennem øjnene på mange af de dyr, der bebor vandet.

University of Illinois forskere har udviklet en undervands-GPS-metode ved hjælp af polarisationsinformation indsamlet med et bioinspireret kamera, der efterligner øjnene på mantis rejer. Fundene, udgivet i Videnskab fremskridt , er de første til at demonstrere passiv undervands -GPS ved hjælp af polariseringsegenskaberne ved undervandslys. Denne teknologi kunne åbne nye muligheder for undersøisk navigation og forståelse af havdyrs vandrende adfærd.

Kameraet, en variation af en polariseringsbilledkamera, der hedder Mantis Cam efter rejer, der inspirerede den, udnytter, hvordan lyset bryder, eller bøjninger, når den passerer gennem vandoverfladen og hopper fra partikler og vandmolekyler.

"Vi indsamlede undervandspolarisationsdata fra hele verden i vores arbejde med havbiologer og bemærkede, at vandets polarisationsmønstre konstant ændrede sig, "sagde studieleder Viktor Gruev, en professor i el- og computerteknik i Illinois og professor ved Carle Illinois College of Medicine. "Dette var i skarp kontrast til, hvad biologer syntes om undervandspolarisationsinformation. De troede, at mønstrene var et resultat af en kamerafejl, men vi var ret sikre på vores teknologi, så jeg vidste, at dette fænomen berettigede yderligere undersøgelse. "

Efter at have vendt tilbage til laboratoriet, Gruev og kandidatstuderende og medforfatter Samuel Powell fastslog, at polarisationsmønstrene under vandet er et resultat af solens position i forhold til det sted, hvor optagelserne blev indsamlet. De fandt ud af, at de kan bruge undervandspolarisationsmønstrene til at estimere solens kurs og højdevinkel, giver dem mulighed for at finde ud af deres GPS -koordinater ved at kende dato og klokkeslæt for optagelserne.

"Vi testede vores undervands-GPS-metode ved at parre vores bioinspirerede kamera med et elektronisk kompas og vippesensor for at måle undervandspolarisationsdata på en række forskellige steder rundt om i verden, dybder, vindforhold og tidspunkter på dagen, "sagde Gruev, som også er tilknyttet Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved University of Illinois. "Vi fandt ud af, at vi kan lokalisere vores position på planeten inden for en nøjagtighed på 61 km."

Denne teknologi kan åbne op for nye måder for mennesker og robotter til bedre at navigere under vandet ved hjælp af visuelle signaler fra polariseret lys. "Vi kunne bruge vores undervands -GPS -metode til at hjælpe med at finde manglende fly, eller endda oprette et detaljeret kort over havbunden, "Sagde Powell." Robotsværme udstyret med vores sensorer kunne give et billigt middel til fjernmåling under vandet-det ville helt sikkert være mere omkostningseffektivt end nuværende metoder. "

Denne forskning kan også føre til ny indsigt i vandringsadfærden hos mange marine arter.

"Dyr som skildpadder og ål, for eksempel, sandsynligvis bruge en lang række sensorer til at navigere i deres årlige migrationsruter, der tager dem tusinder af miles på tværs af oceaner, "Gruev sagde." Disse sensorer kan omfatte en kombination af magnetiske, olfaktoriske og muligvis - som vores forskning antyder - visuelle signaler baseret på polarisationsinformation. "

Et andet aspekt af denne teknologi er dens potentiale til at hjælpe forskere med at forstå, hvordan forurening kan ændre vandringsstier for dyr, der er følsomme over for polariseret lys.

"Det er meget sandsynligt, at forøgede forurenende stoffer i luft og vand ændrer polarisationsmønstre under vandet, får undervandsmiljøet til at se anderledes ud end hvad mange dyr har lært, "Gruev sagde." Vores undervands-GPS-metode kan give indsigt i, hvordan nogle trækdyr over lange afstande, såsom hvaler, kan blive forvirret og ende de forkerte steder. "

For eksempel, more whales are becoming stranded close to the California shore, where they have never been observed before, Gruev said. "Perhaps pollutions is the indirect culprit for this reason, as it affects the underwater polarization patterns necessary for migratory behavior."