Naprava bi lahko pomagala znanstvenikom pri raziskovanju neznanih predelov oceanov, spremljanju onesnaženosti ali učinkov podnebnih sprememb.
Massachusetts Institute of Technology
Brezžična podvodna kamera brez baterije, ki so jo razvili na univerzi MIT, bi se lahko uporabljala na različne načine, tudi za modeliranje podnebja. “Manjkajo nam podatki iz več kot 95 odstotkov oceana. Ta tehnologija bi nam lahko pomagala izdelati natančnejše podnebne modele in bolje razumeti, kako podnebne spremembe vplivajo na podvodni svet,” pravi izredni profesor Fadel Adib.
Znanstveniki ocenjujejo, da več kot 95 odstotkov Zemljinih oceanov ni bilo nikoli opazovanih, kar pomeni, da smo videli manj oceanov našega planeta kot oddaljene strani Lune ali površine Marsa.
Visoki stroški dolgotrajnega napajanja podvodne kamere, ki jo je treba privezati na raziskovalno plovilo ali poslati ladjo, da napolni njene baterije, so velik izziv, ki preprečuje široko razširjeno raziskovanje pod morjem.
Raziskovalci MIT so naredili pomemben korak k odpravi te težave z razvojem brezžične podvodne kamere brez baterij, ki je približno 100.000-krat energetsko učinkovitejša od drugih podvodnih kamer. Kamera posname barvne fotografije tudi v temnih podvodnih okoljih in brezžično prenaša slikovne podatke skozi vodo.
Avtonomno kamero poganja zvok. Mehansko energijo zvočnih valov, ki potujejo skozi vodo, pretvarja v električno energijo, ki napaja njeno slikovno in komunikacijsko opremo. Po zajemu in kodiranju slikovnih podatkov kamera s pomočjo zvočnih valov posreduje podatke sprejemniku, ki rekonstruira sliko.
Ker kamera ne potrebuje vira energije, lahko deluje več tednov, preden jo ponovno vzamejo iz vode, kar znanstvenikom omogoča iskanje novih vrst v oddaljenih delih oceanov. Uporabili bi jo lahko tudi za zajemanje slik onesnaženosti oceanov ali spremljanje zdravja in rasti rib, ki jih gojijo v ribogojnicah.
“Ena od najbolj zanimivih aplikacij te kamere je zame osebno spremljanje podnebja. Gradimo podnebne modele, vendar nam manjkajo podatki iz več kot 95 odstotkov oceana. Ta tehnologija bi nam lahko pomagala zgraditi natančnejše podnebne modele in bolje razumeti, kako podnebne spremembe vplivajo na podvodni svet,” pravi Fadel Adib, izredni profesor na oddelku za elektrotehniko in računalništvo ter direktor skupine Signal Kinetics v Media Labu MIT in glavni avtor novega članka o tem sistemu.
Adibu so se pri članku pridružili še glavni avtorji in raziskovalni asistenti skupine Signal Kinetics Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar in Osvy Rodriguez, raziskovalec Unsoo Ha ter nekdanja raziskovalca skupine Mario Doumet in Reza Ghaffarivardavagh. Članek je bil pred kratkim objavljen v reviji Nature Communications.
Delovanje brez baterije
Raziskovalci so za izdelavo kamere, ki bi lahko samostojno delovala dlje časa, potrebovali napravo, ki bi lahko sama zbirala energijo pod vodo in pri tem porabila zelo malo energije. Kamera pridobiva energijo s pomočjo pretvornikov iz piezoelektričnih materialov, ki so nameščeni po njeni zunanjosti. Piezoelektrični materiali proizvajajo električni signal, ko nanje deluje mehanska sila. Ko zvočni val, ki potuje skozi vodo, naleti na pretvornike, ti zavibrirajo in mehansko energijo pretvorijo v električno.
Ti zvočni valovi lahko prihajajo iz katerega koli vira, na primer iz mimoidoče ladje ali morskega življenja. Fotoaparat shranjuje zbrano energijo, dokler se ne nabere dovolj za napajanje elektronike, ki fotografira in sporoča podatke.
Da bi bila poraba energije čim manjša, so raziskovalci uporabili slikovne senzorje z zelo nizko porabo energije, ki so na voljo v prosti prodaji. Vendar ti senzorji zajemajo le slike v sivih odtenkih. Ker v večini podvodnih okolij ni vira svetlobe, so morali razviti tudi bliskavico z nizko porabo energije.
“Skušali smo čim bolj zmanjšati strojno opremo, to pa ustvarja nove omejitve glede gradnje sistema, pošiljanja informacij in rekonstrukcije slike. Potrebna je bila precejšnja mera ustvarjalnosti, da smo ugotovili, kako to narediti,” pravi Adib.
Obe težavi so rešili hkrati z uporabo rdečih, zelenih in modrih LED-ic. Ko fotoaparat zajame sliko, posveti rdečo LED-ico, nato pa slikovni senzorji posnamejo fotografijo. Enak postopek se ponovi z zeleno in modro LED-ico.
Čeprav je slika videti črno-bela, se rdeča, zelena in modra svetloba odraža v belem delu vsake fotografije, pojasnjuje Akbar. Ko se slikovni podatki združijo pri naknadni obdelavi, je mogoče rekonstruirati barvno sliko.
“Ko smo bili otroci v likovnem razredu, so nas učili, da lahko vse barve ustvarimo s tremi osnovnimi barvami. Enaka pravila veljajo tudi za barvne slike, ki jih vidimo v računalnikih. Za izdelavo barvnih slik potrebujemo le rdečo, zeleno in modro barvo – te tri kanale,” pravi.
Pošiljanje podatkov z zvokom
Ko so slikovni podatki zajeti, so kodirani kot biti (1 in 0) in se s postopkom, imenovanim podvodno povratno sipanje, bit po bitu pošljejo sprejemniku. Sprejemnik prenaša zvočne valove skozi vodo do kamere, ki deluje kot zrcalo in te valove odbija. Kamera valovanje odbije nazaj v sprejemnik ali pa spremeni svoje zrcalo v absorber, tako da se valovanje ne odbije nazaj.
Hidrofon ob oddajniku zazna, ali se signal od kamere odbije nazaj. Če sprejme signal, je vrednost bita enaka 1, če signala ni, je vrednost bita enaka 0. Sistem te binarne informacije uporabi za rekonstrukcijo in naknadno obdelavo slike.
“Ker je za pretvorbo naprave iz nerefleksivnega v refleksivno stanje potrebno le eno stikalo, celoten postopek porabi za pet velikostnih razredov manj energije kot tipični podvodni komunikacijski sistemi,” pravi Afzal.
Raziskovalci so kamero preizkusili v več podvodnih okoljih. V enem so posneli barvne slike plastenk, ki so plavale v ribniku v New Hampshiru. Uspelo jim je tudi posneti tako kakovostne fotografije afriške morske zvezde, da so bili jasno vidni drobni gomolji vzdolž njenih krakov. Naprava je bila učinkovita tudi pri večkratnem slikanju podvodne rastline Aponogeton ulvaceus v temnem okolju v obdobju enega tedna za spremljanje njene rasti.
Raziskovalci nameravajo zdaj, ko so predstavili delujoč prototip, napravo izboljšati, da bo praktična za uporabo v resničnem svetu. Povečati želijo pomnilnik kamere, da bi kamera lahko zajemala fotografije v realnem času, pretakala slike ali celo snemala podvodne videoposnetke.
Prav tako želijo povečati domet fotoaparata. Podatke so uspešno prenašali 40 metrov od sprejemnika, vendar bi s povečanjem dosega omogočili uporabo kamere v več podvodnih okoljih.
“To bo odprlo velike možnosti za raziskave tako na področju naprav interneta stvari z nizko porabo energije kot tudi za spremljanje in raziskave pod vodo,” pravi Haitham Al-Hassanieh, docent elektrotehnike in računalništva na Univerzi Illinois Urbana-Champaign, ki ni sodeloval pri tej raziskavi.
To raziskavo delno podpirajo Urad za pomorske raziskave, Sloanova raziskovalna štipendija, Nacionalna znanstvena fundacija, Media Lab MIT in katedra Doherty Chair in Ocean Utilization.
Povzeto po:
https://bit.ly/3XgiT3N
