Ingeniører bygger et batterifrit, trådløst undervandskamera

Forskere vurderer, at mere end 95 procent af Jordens oceaner aldrig er blevet observeret, hvilket betyder, at vi har set mindre af vores planets hav, end vi har den anden side af månen eller Mars overflade.

De høje omkostninger ved at drive et undervandskamera i lang tid, ved at tøjre det til et forskningsfartøj eller sende et skib for at genoplade dets batterier, er en stor udfordring, der forhindrer udbredt undersøisk udforskning.

MIT-forskere har taget et stort skridt for at overvinde dette problem ved at udvikle et batterifrit, trådløst undervandskamera, der er omkring 100.000 gange mere energieffektivt end andre undersøiske kameraer. Enheden tager farvefotos, selv i mørke undervandsmiljøer, og transmitterer billeddata trådløst gennem vandet.

Det autonome kamera er drevet af lyd. Den konverterer mekanisk energi fra lydbølger, der rejser gennem vand, til elektrisk energi, der driver dets billed- og kommunikationsudstyr. Efter optagelse og kodning af billeddata bruger kameraet også lydbølger til at sende data til en modtager, der rekonstruerer billedet.

Fordi det ikke har brug for en strømkilde, kan kameraet køre i uger i træk før det hentes, hvilket gør det muligt for forskere at søge fjerntliggende dele af havet efter nye arter. Det kan også bruges til at tage billeder af havforurening eller overvåge sundheden og væksten af ​​fisk opdrættet i akvakulturbrug.

"En af de mest spændende anvendelser af dette kamera for mig personligt er i forbindelse med klimaovervågning. Vi bygger klimamodeller, men vi mangler data fra over 95 procent af havet. Denne teknologi kan hjælpe os med at bygge mere nøjagtige klimamodeller og bedre forstå, hvordan klimaændringer påvirker undervandsverdenen," siger Fadel Adib, lektor i Institut for Elektroteknik og Datalogi og direktør for Signal Kinetics-gruppen i MIT Media Lab, og seniorforfatter af papiret.

Sammen med Adib på papiret er co-lead forfattere og Signal Kinetics gruppe forskningsassistenter Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar og Osvy Rodriguez, samt forsker Unsoo Ha og tidligere gruppeforskere Mario Doumet og Reza Ghaffarivardavagh. Artiklen er udgivet i Nature Communications .

Bliver batterifri

For at bygge et kamera, der kunne fungere autonomt i lange perioder, havde forskerne brug for en enhed, der kunne høste energi under vandet på egen hånd, mens den bruger meget lidt strøm.

Kameraet henter energi ved hjælp af transducere lavet af piezoelektriske materialer, der er placeret rundt om dets ydre. Piezoelektriske materialer producerer et elektrisk signal, når en mekanisk kraft påføres dem. Når en lydbølge, der rejser gennem vandet, rammer transducerne, vibrerer de og omdanner den mekaniske energi til elektrisk energi.

Disse lydbølger kunne komme fra enhver kilde, som et forbipasserende skib eller marine liv. Kameraet gemmer den høstede energi, indtil det har opbygget nok til at forsyne elektronikken, der tager billeder og kommunikerer data.

For at holde strømforbruget så lavt som muligt brugte forskerne hyldevare, ultra-lav-strøm billeddannelsessensorer. Men disse sensorer fanger kun gråtonebilleder. Og da de fleste undervandsmiljøer mangler en lyskilde, var de også nødt til at udvikle en laveffekt flash.

"Vi forsøgte at minimere hardwaren så meget som muligt, og det skaber nye begrænsninger for, hvordan man bygger systemet, sender information og udfører billedrekonstruktion. Det krævede en del kreativitet at finde ud af, hvordan man gør dette," Adib siger.

De løste begge problemer samtidigt ved hjælp af røde, grønne og blå lysdioder. Når kameraet tager et billede, lyser det med en rød LED og bruger derefter billedsensorer til at tage billedet. Den gentager den samme proces med grønne og blå lysdioder.

Selvom billedet ser sort-hvidt ud, reflekteres det røde, grønne og blå farvede lys i den hvide del af hvert billede, forklarer Akbar. Når billeddataene kombineres i efterbehandlingen, kan farvebilledet rekonstrueres.

"Da vi var børn i kunstklassen, blev vi lært, at vi kunne lave alle farver ved hjælp af tre grundlæggende farver. De samme regler følger for farvebilleder, vi ser på vores computere. Vi skal bare bruge rød, grøn og blå - disse tre kanaler - at konstruere farvebilleder," siger han.

Sender data med lyd

Når billeddata er fanget, kodes de som bits (1s og 0s) og sendes til en modtager en bit ad gangen ved hjælp af en proces kaldet undervands backscatter. Modtageren sender lydbølger gennem vandet til kameraet, der fungerer som et spejl, der reflekterer disse bølger. Kameraet reflekterer enten en bølge tilbage til modtageren eller ændrer sit spejl til en absorber, så det ikke reflekterer tilbage.

En hydrofon ved siden af ​​senderen registrerer, om et signal reflekteres tilbage fra kameraet. Hvis den modtager et signal, er det en bit-1, og hvis der ikke er noget signal, er det en bit-0. Systemet bruger denne binære information til at rekonstruere og efterbehandle billedet.

"Hele denne proces, da det kun kræver en enkelt switch at konvertere enheden fra en ikke-reflekterende tilstand til en reflekterende tilstand, forbruger fem størrelsesordener mindre strøm end typiske undervandskommunikationssystemer," siger Afzal.

Forskerne testede kameraet i flere undervandsmiljøer. I den ene fangede de farvebilleder af plastikflasker, der svævede i en dam i New Hampshire. De var også i stand til at tage billeder i så høj kvalitet af en afrikansk søstjerne, at små tuberkler langs dens arme var tydeligt synlige. Enheden var også effektiv til gentagne gange at afbilde undervandsplanten Aponogeton ulvaceus i et mørkt miljø i løbet af en uge for at overvåge dens vækst.

Nu hvor de har demonstreret en fungerende prototype, planlægger forskerne at forbedre enheden, så den er praktisk til implementering i virkelige omgivelser. De ønsker at øge kameraets hukommelse, så det kan tage billeder i realtid, streame billeder eller endda optage undervandsvideo.

De ønsker også at udvide kameraets rækkevidde. De transmitterede med succes data 40 meter fra modtageren, men ved at skubbe dette område bredere ville kameraet kunne bruges i flere undervandsindstillinger. + Udforsk yderligere

På sin jagt efter mørk energi stoppede et teleskop for at se på Hummertågen