Tato podvodní kamera funguje bezdrátově bez baterií

Inženýři z MIT sestrojili bezdrátovou podvodní kameru bez baterie, která je schopna sama akumulovat energii a přitom spotřebovávat velmi málo energie, tvrdí nový papír Publikováno v Nature Communications. Systém dokáže na dálku pořizovat barevné snímky ponořených objektů – dokonce i na tmavých místech – a bezdrátově přenášet data pro monitorování podmořského prostředí v reálném čase, což pomáhá při objevování nových vzácných druhů, monitorování oceánských proudů, znečištění nebo komerčních a vojenských operací. .

Máme již různé způsoby focení pod vodou, ale podle autorů „většina mořských a oceánských tvorů dosud nebyla pozorována“. Je to částečně proto, že většina současných metod vyžaduje, aby byly připojeny k lodím, podvodním dronům nebo elektrárnám pro napájení i komunikaci. Tyto metody, které nepoužívají tethering, musí zahrnovat napájení z baterie, což omezuje její životnost. I když je v zásadě možné sklízet energii z vln oceánu, podvodních proudů nebo dokonce slunečního světla, přidáním potřebného vybavení by vedlo k mnohem většímu a dražšímu podvodnímu fotoaparátu.

Tým MIT se tedy pustil do vývoje řešení pro bezbateriovou bezdrátovou zobrazovací metodu. Cílem návrhu bylo co nejvíce snížit požadovaný hardware. Protože chtěli mít spotřebu energie na minimu, například tým z MIT použil levné běžně dostupné zobrazovací senzory. Kompromisem je, že tyto senzory produkují pouze obrázky ve stupních šedi. Tým také potřeboval vyvinout blesk s nízkou spotřebou, protože většina prostředí pod vodou nedostává mnoho přirozeného světla.

Ukázalo se, že řešení obou problémů zahrnuje červené, zelené a modré LED. Kamera používá k osvětlení místa červenou LED diodu a zachycuje tento snímek svými senzory a poté proces opakuje se zelenou a modrou LED diodou. Obrázek může vypadat černobíle, říkají autoři, ale tři barvy světla z LED se odrážejí v bílé části každého obrázku. Plnobarevný obrázek lze tedy rekonstruovat během následného zpracování.

„Když jsme byli dětmi ve výtvarném umění, učili jsme se, že můžeme vytvořit všechny barvy pomocí tří základních barev,“ Spoluautor Fadel Adeeb řekl:. „Řídí se stejnými pravidly pro barevné obrázky, které vidíme na našich počítačích. K vytvoření barevných obrázků potřebujeme pouze červenou, zelenou a modrou – tyto tři kanály.“

Místo baterie se snímač spoléhá na piezoakustický zpětný rozptyl pro komunikaci s velmi nízkou spotřebou energie poté, co jsou obrazová data zakódována jako bity. Tato metoda nepotřebuje generovat vlastní zvukový signál (jako například u sonaru) a místo toho spoléhá na modulaci odrazů podvodních zvuků pro přenos dat jeden bit po druhém. Tato data jsou zachycena vzdáleným přijímačem, který je schopen získat upravené vzory, a poté se binární informace použije k rekonstrukci obrazu. Autoři odhadují, že jejich podvodní kamera je asi 100 000krát energeticky účinnější než její protějšky a může běžet celé týdny.

Přirozeně tým postavil prototyp proof-of-concept a provedl několik testů, aby dokázal, že jejich metoda funguje. Fotografovali například znečištění (ve formě plastových lahví) v Keyser Pond na jihovýchodě New Hampshire a také africkou hvězdici (Protorster Linkley) v „řízeném prostředí s venkovním osvětlením“. Rozlišení posledního snímku bylo dost dobré na to, aby zachytilo různé hlízy podél pěti ramen hvězdice.

Tým byl také schopen použít bezdrátovou podvodní kameru ke sledování růstu vodní rostliny (Aponogeton ulvaceus) během několika dní, detekce a lokalizace vizuálních značek často používaných pro podvodní sledování a automatizované zpracování. Kamera dosahovala vysoké míry detekce a vysoké přesnosti lokalizace až do vzdálenosti asi 3,5 metru (asi 11 a půl stopy); Autoři naznačují, že delších detekčních rozsahů lze dosáhnout pomocí senzorů s vyšším rozlišením. Podle testů provedených na řece Charles ve východním Massachusetts je vzdálenost také faktorem při získávání energie a komunikačních schopnostech kamery. Jak se očekávalo, tyto dvě důležité schopnosti se se vzdáleností zmenšují, i když kamera dokázala přenášet data až do vzdálenosti 40 metrů (131 stop) od přijímače.

V souhrnu autoři píší: „Neomezená, levná a plně integrovaná povaha naší metody z ní činí žádoucí přístup k oceánským masivním rozptylům.“ Rozšíření jejich přístupu vyžaduje pokročilejší a účinnější měniče a také podvodní akustické přenosy s vyšším výkonem. Je také možné, že lze využít stávajících síťových sítí oceánských povrchových bójí nebo sítí podvodních robotů, jako jsou bóje Argo, k dálkovému ovládání kamer sbírajících energii.

„Jedna z nejzajímavějších aplikací této kamery pro mě osobně je v kontextu monitorování klimatu,“ řekl Adeeb. „Vytváříme klimatické modely, ale chybí nám data z více než 95 procent oceánu. Tato technologie nám může pomoci vytvořit přesnější klimatické modely a lépe pochopit, jak klimatické změny ovlivňují podmořský svět.“

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