Тази подводна камера работи безжично без батерии

Инженерите на MIT създадоха безжична подводна камера без батерия, способна да акумулира енергия сама, като същевременно консумира много малко енергия, според нова хартия Публикувано в Nature Communications. Системата може дистанционно да заснема цветни изображения на потопени обекти – дори на тъмни места – и да предава данни безжично за наблюдение в реално време на подводна среда, подпомагайки откриването на нови редки видове, наблюдение на океански течения, замърсяване или търговски и военни операции .

Вече имаме различни начини за правене на снимки под вода, но според авторите „повечето морски и океански създания все още не са наблюдавани“. Това отчасти е така, защото повечето настоящи методи изискват те да бъдат свързани с кораби, подводни дронове или електроцентрали както за захранване, така и за комуникации. Тези методи, които не използват тетъринг, трябва да включват захранване от батерията, което ограничава нейния живот. Въпреки че по принцип е възможно да се събира енергия от океански вълни, подводни течения или дори слънчева светлина, добавянето на оборудването, необходимо за това, би довело до много по-голяма и по-скъпа подводна камера.

Така екипът на MIT се зае да разработи решение за метод за безжично изобразяване без батерии. Целта на дизайна беше да се намали колкото е възможно повече необходимия хардуер. Тъй като искаха да запазят консумацията на енергия до минимум, например, екипът на MIT използва евтини, готови сензори за изображения. Компромисът е, че тези сензори произвеждат само изображения в сивата скала. Екипът също трябваше да разработи светкавица с ниска мощност, тъй като повечето подводни среди не получават много естествена светлина.

Оказва се, че решението и на двете предизвикателства включва червени, зелени и сини светодиоди. Камерата използва червен светодиод, за да освети местоположението и заснема това изображение със своите сензори, след което повтаря процеса със зеления и синия светодиод. Изображението може да изглежда черно-бяло, казват авторите, но трите цвята светлина от светодиодите се отразяват в бялата част на всяко изображение. Така пълноцветно изображение може да бъде реконструирано по време на последваща обработка.

„Когато бяхме деца в часовете по рисуване ни учеха, че можем да правим всички цветове, използвайки три основни цвята,“ Съавторът Фадел Адиб каза:. „Следва същите правила за цветните изображения, които виждаме на нашите компютри. Нуждаем се само от червено, зелено и синьо – тези три канала – за създаване на цветни изображения.“

Вместо на батерия, сензорът разчита на пиезо акустично обратно разсейване за комуникации с много ниска мощност, след като данните за изображението са кодирани като битове. Този метод не се нуждае от генериране на собствен аудио сигнал (както при сонара, например) и вместо това разчита на модулиране на отраженията на подводни звуци, за да предава данни един бит наведнъж. Тези данни се улавят от отдалечен приемник, способен да извлече модифицираните модели, и след това двоичната информация се използва за възстановяване на изображението. Авторите изчисляват, че тяхната подводна камера е около 100 000 пъти по-енергийно ефективна от аналоговете си и може да работи седмици без прекъсване.

Естествено, екипът изгради прототип за доказване на концепцията и проведе някои тестове, за да докаже, че техният метод работи. Например, те заснеха замърсяване (под формата на пластмасови бутилки) в Keyser Pond в югоизточната част на Ню Хемпшир, както и фотографираха африканската морска звезда (Проторстър Линкли) в „контролирана среда с външно осветление“. Разделителната способност на последното изображение беше достатъчно добра, за да улови различните туберкули по петте ръце на морската звезда.

Екипът също успя да използва безжичната подводна камера, за да наблюдава растежа на водно растение (Aponogeton ulvaceus) в продължение на няколко дни, откриване и локализиране на визуални тагове, често използвани за подводно проследяване и автоматизирана обработка. Камерата постигна високи нива на откриване и висока точност на локализиране до разстояние от около 3,5 метра (около 11 и половина фута); Авторите предполагат, че по-дълги обхвати на откриване могат да бъдат постигнати със сензори с по-висока разделителна способност. Разстоянието също е фактор за възможностите за събиране на енергия и комуникация на камерата, според тестове, проведени на река Чарлз в източен Масачузетс. Както се очаква, тези две жизненоважни възможности намаляват с разстоянието, въпреки че камерата успешно предава данни до 40 метра (131 фута) от приемника.

В обобщение, авторите пишат: „Неограниченият, евтин и напълно интегриран характер на нашия метод го прави желан подход към масивни разпръсквания в океана.“ Увеличаването на техния подход изисква по-модерни и ефективни преобразуватели, както и по-мощни подводни акустични предавания. Възможно е също така човек да може да се възползва от съществуващите мрежести мрежи от шамандури на повърхността на океана или мрежи от подводни роботи като шамандури Argo, за да управлява дистанционно камери за събиране на енергия.

„Едно от най-вълнуващите приложения на тази камера за мен лично е в контекста на мониторинг на климата,“ Адиб каза. „Ние изграждаме климатични модели, но ни липсват данни от повече от 95 процента от океана. Тази технология може да ни помогне да изградим по-точни климатични модели и да разберем по-добре как изменението на климата засяга подводния свят.“

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