Táto podvodná kamera funguje bezdrôtovo bez batérií

Inžinieri z MIT vyvinuli bezdrôtovú podvodnú kameru bez batérie, ktorá je schopná automaticky získavať energiu pri veľmi nízkej spotrebe energie. Nový papier Publikované v časopise Nature Communications. Systém dokáže zhotovovať farebné fotografie vzdialených ponorených objektov – dokonca aj v tmavom prostredí – a bezdrôtovo prenášať dáta na monitorovanie podmorského prostredia v reálnom čase, čím pomáha objavovať nové vzácne druhy alebo monitorovať morské prúdy, znečistenie alebo komerčné a vojenské aktivity.

Na fotenie pod vodou už máme rôzne metódy, no podľa autorov je „väčšina morských a morských organizmov stále z veľkej časti nepozorovaná“. Je to preto, že väčšinu existujúcich metód je potrebné pripojiť k lodiam, podvodným dronom alebo elektrárňam. Tie metódy, ktoré nepoužívajú tethering, sa musia pripojiť k batérii, čo obmedzuje ich životnosť. Aj keď je v zásade možné získať energiu z morských vĺn, podvodných prúdov alebo slnečného žiarenia, pridanie potrebného vybavenia by znamenalo veľmi objemnú a drahú podvodnú kameru.

Tím MIT preto vyvinul riešenie pre bezdrôtový zobrazovací systém bez batérií. Cieľom dizajnu bolo čo najviac minimalizovať požadovaný hardvér. Pretože chceli napríklad udržať spotrebu energie na minime, tím MIT použil lacné bežne dostupné zobrazovacie senzory. Kompromisom je, že takéto senzory vytvárajú iba obrázky v odtieňoch šedej. Keďže väčšina podvodných prostredí nedostáva prirodzené svetlo, tím musel vyvinúť aj blesk s nízkym výkonom.

Riešením oboch výziev sú červené, zelené a modré LED diódy. Kamera používa červenú LED na osvetlenie in situ a zachytáva tento obraz pomocou svojich senzorov, potom opakuje proces so zelenými a modrými LED. Podľa autorov sa obraz môže zdať čiernobiely, no tri farby svetla z LED sa odrážajú v bielej ploche každého obrazu. Plnofarebný obraz je preto možné rekonštruovať počas následného spracovania.

„Keď sme boli deti v triede výtvarnej výchovy, naučili sme sa, že všetky farby možno vytvoriť pomocou troch základných farieb.“ Povedal spoluautor Fadel Adib. „Rovnaké pravidlá platia pre farebné obrázky, ktoré vidíme na našich počítačoch. Na vytvorenie farebných obrázkov potrebujeme len tri kanály – červený, zelený a modrý.“

Namiesto batérie sa snímač spolieha na piezoakustický spätný rozptyl pre komunikáciu s ultra nízkou spotrebou energie po zakódovaní obrazových údajov do bitov. Táto metóda nemusí nevyhnutne generovať vlastný zvukový signál (ako napríklad sonar) a namiesto toho sa spolieha na úpravu odrazov zvukov pod vodou tak, aby prenášali údaje jeden bit po druhom. Tieto dáta zachytí vzdialený prijímač schopný získať modulované vzory a potom sa použijú na rekonštrukciu binárneho informačného obrazu. Autori odhadujú, že ich podvodná kamera je asi 100 000-krát energeticky účinnejšia ako jej náprotivky a môže bežať nepretržite niekoľko týždňov.

Prirodzene, tím vytvoril prototyp konceptu a vykonal niekoľko testov, aby dokázal, že ich metóda funguje. Napríklad odfotografovali znečistenie (vo forme plastových fliaš) v rybníku Geyser Pond v juhovýchodnom štáte New Hampshire, ako aj africkú hviezdicu (Protoraster Linkley) „v kontrolovanom prostredí s vonkajším osvetlením.“ Rozlíšenie posledného obrázku bolo dostatočné na zachytenie rôznych tuberkulóz na piatich ramenách hviezdice.

Tím bol schopný použiť svoju podvodnú bezdrôtovú kameru na sledovanie rastu vodných rastlín (Aponogeton ulvaceous) počas niekoľkých dní a detekciu a detekciu vizuálnych značiek často používaných na sledovanie pod vodou a robotickú manipuláciu. Kamera dosiahla vysokú mieru detekcie a vysokú presnosť lokalizácie až do vzdialenosti približne 3,5 metra (asi 11 a pol stopy); Autori naznačujú, že dlhší rozsah detekcie možno dosiahnuť pomocou snímačov s vyšším rozlíšením. V testoch vykonaných na rieke Charles vo východnom Massachusetts je vzdialenosť tiež faktorom v schopnosti kamery zhromažďovať energiu a komunikovať. Ako sa očakávalo, obe tieto kritické schopnosti klesajú so vzdialenosťou, hoci kamera úspešne prenášala dáta až do vzdialenosti 40 metrov (131 stôp) od prijímača.

Stručne povedané, „nepripútaná, lacná a plne integrovaná povaha našej metódy z nej robí žiaduci prístup pre masívne nasadenie v oceánoch,“ napísali autori. Meranie ich prístupu si vyžaduje vysoko sofistikované a efektívne prevodníky a vysokovýkonné podvodné akustické vysielače. Sieťové siete bójí na hladine oceánu alebo siete podvodných robotov, ako sú bóje Argo, možno použiť na diaľkové ovládanie kamier na zber energie.

„Jedna z najzaujímavejších aplikácií tejto kamery pre mňa osobne je v kontexte monitorovania klímy,“ povedal Adif. „Vytvárame klimatické modely, ale chýbajú nám údaje pre viac ako 95 percent oceánu. Táto technológia nám pomôže vytvoriť presnejšie klimatické modely a lepšie pochopiť, ako klimatické zmeny ovplyvňujú podmorský svet.“

DOI: Nature Communications, 2022. 10.1038/s41467-022-33223-x (O DOI)