Ця підводна камера працює в бездротовому режимі без батарейок

Згідно з даними, інженери Массачусетського технологічного інституту створили бездротову підводну камеру без батареї, здатну накопичувати електроенергію самостійно, споживаючи дуже мало енергії. новий папір Опубліковано в Nature Communications. Система може віддалено знімати кольорові зображення занурених об’єктів – навіть у темних місцях – і передавати дані по бездротовій мережі для моніторингу підводного середовища в режимі реального часу, допомоги у відкритті нових рідкісних видів, моніторингу океанських течій, забруднення або комерційних і військових операцій. .

Ми вже маємо різні способи фотографувати під водою, але, за словами авторів, «більшість морських і океанських істот ще не спостерігали». Частково це пояснюється тим, що більшість сучасних методів вимагають їх підключення до кораблів, підводних безпілотників або електростанцій як для живлення, так і для зв’язку. Ті методи, які не використовують прив’язку, повинні включати живлення від акумулятора, що обмежує термін його служби. Хоча в принципі можна збирати енергію з океанських хвиль, підводних течій або навіть сонячного світла, додавання необхідного для цього обладнання призведе до набагато більшої та дорожчої підводної камери.

Тож команда Массачусетського технологічного інституту вирішила розробити рішення для бездротового методу отримання зображень без використання батарей. Метою дизайну було максимально скоротити необхідне обладнання. Наприклад, оскільки вони хотіли звести споживання електроенергії до мінімуму, команда MIT використовувала дешеві стандартні датчики зображення. Компроміс полягає в тому, що ці датчики створюють лише зображення у градаціях сірого. Команді також потрібно було розробити спалах малої потужності, оскільки більшість підводних середовищ не отримують багато природного світла.

Виявляється, для вирішення обох завдань використовуються червоний, зелений і синій світлодіоди. Камера використовує червоний світлодіод для освітлення місця та фіксує це зображення за допомогою своїх датчиків, а потім повторює процес із зеленим і синім світлодіодами. Зображення може виглядати чорно-білим, кажуть автори, але три кольори світла від світлодіодів відбиваються в білій частині кожного зображення. Таким чином, повноколірне зображення можна відновити під час постобробки.

«Коли ми були дітьми на уроках мистецтва, нас вчили, що ми можемо створювати всі кольори, використовуючи три основні кольори», Співавтор Фадель Адіб сказав:. «Це дотримується тих самих правил для кольорових зображень, які ми бачимо на наших комп’ютерах. Нам потрібні лише червоний, зелений і синій — ці три канали — для створення кольорових зображень».

Замість батареї датчик покладається на п’єзоакустичне зворотне розсіювання для зв’язку з дуже низьким енергоспоживанням після того, як дані зображення кодуються як біти. Цей метод не потребує генерації власного аудіосигналу (як, наприклад, у випадку з ехолотом), а натомість покладається на модуляцію відображень підводних звуків для передачі даних один біт за раз. Ці дані фіксуються віддаленим приймачем, здатним отримувати змінені шаблони, а потім двійкова інформація використовується для реконструкції зображення. Автори підрахували, що їх підводна камера приблизно в 100 000 разів енергоефективніша, ніж аналоги, і може працювати тижнями безперервно.

Звичайно, команда створила прототип для підтвердження концепції та провела кілька тестів, щоб підтвердити, що їхній метод працює. Наприклад, вони сфотографували забруднення (у вигляді пластикових пляшок) у ставку Кейзер на південному сході Нью-Гемпшира, а також сфотографували африканських морських зірок (Проторстер Лінклі) у «контрольованому середовищі із зовнішнім освітленням». Роздільна здатність останнього зображення була достатньою, щоб зафіксувати різні горбки вздовж п’яти рукавів морської зірки.

Команда також змогла використати бездротову підводну камеру для спостереження за ростом водної рослини (Aponogeton ulvaceus) протягом кількох днів, виявлення та визначення місцезнаходження візуальних міток, які часто використовуються для підводного відстеження та автоматизованої обробки. Камера досягла високих показників виявлення та високої точності локалізації на відстані близько 3,5 метрів (приблизно 11 з половиною футів); Автори припускають, що більшого діапазону виявлення можна досягти за допомогою датчиків з вищою роздільною здатністю. Згідно з тестами, проведеними на річці Чарльз у східному Массачусетсі, відстань також є фактором для збору енергії та можливостей зв’язку камери. Як і очікувалося, ці дві життєво важливі можливості зменшуються з відстанню, хоча камера успішно передає дані на відстані до 40 метрів (131 фут) від приймача.

Підсумовуючи, автори пишуть: «Необмежений, недорогий і повністю інтегрований характер нашого методу робить його бажаним підходом до масового розсіювання океану». Розширення їхнього підходу потребує більш досконалих і ефективних перетворювачів, а також більш потужних підводних акустичних передач. Також можливо, що можна скористатися наявними сітчастими мережами буїв на поверхні океану або мережами підводних роботів, таких як буї Argo, для дистанційного керування камерами збору енергії.

«Одним із найбільш захоплюючих застосувань цієї камери для мене особисто є моніторинг клімату», – сказав Адіб. «Ми створюємо кліматичні моделі, але нам бракує даних з понад 95 відсотків океану. Ця технологія може допомогти нам побудувати більш точні кліматичні моделі та краще зрозуміти, як зміна клімату впливає на підводний світ».

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