Створили бездротову підводну камеру, якій не потрібні батареї !

Створили бездротову підводну камеру, якій не потрібні батареї !

Безбатарейна бездротова підводна камера, розроблена в Массачусетському технологічному інституті, може мати багато застосувань, включаючи моделювання клімату. «Нам бракує даних про понад 95 відсотків океану. Ця технологія може допомогти нам побудувати більш точні кліматичні моделі та краще зрозуміти, як кліматичні зміни впливають на підводний світ», — каже доцент Фадель Адіб. Авторство: Адам Гланцман

Нова підводна камера може допомогти вченим досліджувати невідомі регіони океану, відстежувати забруднення або спостерігати за наслідками зміни клімату.

Згідно з підрахунками вчених, понад 95 відсотків океанів Землі ніколи не спостерігалися, а це означає, що ми бачили менше океану нашої планети, ніж зворотний бік Місяця або поверхню Марса.

Однією з серйозних проблем, яка перешкоджає широкому підводному дослідженню, є висока вартість живлення підводної камери протягом тривалого часу. Тепер для цього потрібно прив’язати його до дослідницького судна або часто відправляти корабель для підзарядки акумуляторів.

Інженери Массачусетського технологічного інституту зробили важливий крок для подолання цієї проблеми, розробивши надефективну бездротову бездротову підводну камеру. Фактично, вона приблизно в 100 000 разів енергоефективніша за інші підводні камери. Навіть у темному підводному середовищі пристрій може робити кольорові фотографії та передавати дані зображення по бездротовій мережі через воду.

Що робить цю автономну камеру особливо унікальною, це те, що вона живиться від звуку. Він перетворює механічну енергію звукових хвиль, що проходять через воду, в електричну енергію, яка живить його обладнання для обробки зображень і зв’язку. Після захоплення та кодування даних зображення камера також використовує звукові хвилі для передачі даних на приймач, який може реконструювати зображення. 

Фадель Адіб (праворуч), доцент кафедри електротехніки та комп’ютерних наук і директор групи Signal Kinetics у медіа-лабораторії Массачусетського технологічного інституту, а також науковий співробітник Валід Акбар демонструють розроблену їхньою групою бездротову бездротову підводну камеру. Авторство: Адам Гланцман.

Оскільки для цього не потрібне джерело живлення, камера може працювати тижнями безперервно, перш ніж її буде знайдено. Це дозволить вченим шукати нові види у віддалених частинах океану. Його також можна використовувати для отримання зображень забруднення океану або моніторингу здоров’я та росту риби, вирощеної на аквакультурних фермах.

«Одним із найбільш захоплюючих застосувань цієї камери особисто для мене є моніторинг клімату. Ми створюємо кліматичні моделі, але нам бракує даних про понад 95 відсотків океану. Ця технологія може допомогти нам побудувати точніші кліматичні моделі та краще зрозуміти, як зміна клімату впливає на підводний світ», — каже Фадель Адіб, старший автор нової статті про систему. Він є доцентом кафедри електротехніки та комп’ютерних наук і директором групи Signal Kinetics у MIT Media Lab.

До статті до Адіба приєдналися співпровідні автори та асистенти групи Signal Kinetics Сайєд Саад Афзал, Валід Акбар і Осві Родрігез, а також дослідник Унсу Ха та колишні дослідники групи Маріо Думет і Реза Гаффарівардаваг. Стаття опублікована сьогодні (26 вересня 2022 р.) у журналі Nature Communications.

Без батареї

Щоб побудувати камеру, яка могла б працювати автономно протягом тривалого періоду часу, вченим потрібен був пристрій, який міг би самостійно збирати енергію під водою, споживаючи при цьому дуже мало енергії.

Перетворювачі, виготовлені з п’єзоелектричних матеріалів, розташовані навколо камери та використовуються для отримання енергії. П’єзоелектричні матеріали створюють електричний сигнал, коли до них прикладається механічна сила. Коли звукова хвиля, що проходить через воду, потрапляє на перетворювачі, вони вібрують, і механічна енергія перетворюється на електричну.

Ці звукові хвилі можуть надходити з будь-якого джерела, як-от корабель, що пропливає повз, або морські мешканці. Камера зберігає зібрану енергію, поки її не буде достатньо для живлення електроніки, яка фотографує та передає дані.

Щоб споживання електроенергії було якомога нижчим, інженери використовували стандартні датчики зображення з наднизьким споживанням енергії. Однак ці датчики фіксують лише зображення у градаціях сірого. А оскільки в більшості підводних середовищ немає джерела світла, їм також потрібно було розробити спалах малої потужності.

«Ми намагалися мінімізувати апаратне забезпечення, наскільки це можливо, і це створює нові обмеження на те, як створити систему, надсилати інформацію та виконувати реконструкцію зображення. Щоб зрозуміти, як це зробити, знадобилася достатня кількість креативності», — каже Адіб.

Вони вирішували обидві проблеми одночасно за допомогою червоного, зеленого та синього світлодіодів. Коли камера фіксує зображення, вона світить червоним світлодіодом, а потім використовує датчики зображення, щоб зробити фотографію. Він повторює той самий процес із зеленим і синім світлодіодами.

Незважаючи на те, що зображення виглядає чорно-білим, світло червоного, зеленого та синього кольорів відбивається в білій частині кожної фотографії, пояснює Акбар. Коли дані зображення об’єднуються під час постобробки, кольорове зображення можна реконструювати з трьох вихідних зображень.

«Коли ми були дітьми на уроках образотворчого мистецтва, нас вчили, що ми можемо створювати всі кольори, використовуючи три основні кольори. Ці ж правила застосовуються до кольорових зображень, які ми бачимо на наших комп’ютерах. Нам просто потрібні червоний, зелений і синій — ці три канали — для створення кольорових зображень», — каже він.

Передача даних зі звуком

Після того, як дані зображення захоплені, вони кодуються як біти (1 і 0) і надсилаються на приймач по одному біту за допомогою процесу, який називається підводним зворотним розсіюванням. Приймач передає звукові хвилі через воду на камеру, яка діє як дзеркало, щоб відобразити ці хвилі. Камера або відбиває хвилю назад до приймача, або змінює своє дзеркало на поглинач, щоб воно не відбивалося назад.

Гідрофон поруч із передавачем визначає, чи сигнал відбивається від камери. Якщо він отримує сигнал, це біт-1, а якщо сигналу немає, це біт-0. Система використовує цю двійкову інформацію для реконструкції та подальшої обробки зображення.

«Увесь цей процес, оскільки для перетворення пристрою з невідбиваючого стану в відбиваючий потрібен лише один перемикач, споживає на п’ять порядків менше енергії, ніж типові системи підводного зв’язку», — каже Афзал.

Дослідники випробували камеру в кількох підводних середовищах. На одному вони зробили кольорові зображення пластикових пляшок, що плавають у ставку Нью-Гемпшира. Їм також вдалося зробити настільки якісні фотографії африканської морської зірки, що було чітко видно крихітні горбки вздовж її рук. Пристрій також був ефективним для багаторазового зображення підводної рослини Aponogeton ulvaceus протягом тижня в темному середовищі для моніторингу її росту.

Тепер, коли вони продемонстрували робочий прототип, інженери планують вдосконалити пристрій, щоб він був практичним для розгортання в реальних умовах. Вони хочуть збільшити пам’ять камери, щоб вона могла знімати фотографії в режимі реального часу, передавати зображення або навіть знімати підводне відео.

Ще одна мета — збільшити радіус дії камери. Вони успішно передали дані на 40 метрів (130 футів) від приймача, але збільшення цього діапазону дозволить використовувати камеру в більшій кількості підводних умов.

«Це відкриє чудові можливості для досліджень як малопотужних пристроїв IoT, так і підводного моніторингу та досліджень», — говорить Хайтам Аль-Хассаніє. Він є доцентом кафедри електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті Іллінойсу Урбана-Шампейн, який не брав участі в цьому дослідженні.

Це дослідження частково підтримується Управлінням військово-морських досліджень, Дослідницькою стипендією Слоуна, Національним науковим фондом, Медіа-лабораторією Массачусетського технологічного інституту та кафедрою використання океану Доерті.