Inženjeri MIT-a napravili bežičnu podvodnu kameru kojoj nisu potrebne baterije!
Nova podvodna kamera mogla bi da pomogne naučnicima da istraže nepoznate regione okeana, prate zagađenje ili prate efekte klimatskih promena.
Više od 95 odsto Zemljinih okeana nikada nije istraženo, prema procenama naučnika, što znači da smo istražili manje okeana naše planete nego na suprotnoj strani Meseca ili na površini Marsa.
Jedan veliki izazov koji sprečava široko rasprostranjeno istraživanje podmorja je visoka cena dugotrajnog napajanja podvodne kamere. Da biste to uradili, sada je potrebno da je povežete sa istraživačkim brodom ili da često šaljete brod da napuni svoje baterije.
Inženjeri MIT-a su napravili veliki korak da prevaziđu ovaj problem tako što su razvili ultra efikasnu bežičnu podvodnu kameru bez baterija. U stvari, to je oko 100.000 puta energetski efikasnije od drugih podmorskih kamera. Čak i u mračnim podvodnim okruženjima, uređaj može da snima fotografije u boji i bežično prenosi podatke o slici kroz vodu.
Ono što ovu autonomnu kameru čini posebno jedinstvenom je to što se napaja zvukom. On pretvara mehaničku energiju iz zvučnih talasa koji putuju kroz vodu u električnu energiju koja napaja njegovu opremu za snimanje i komunikaciju. Nakon snimanja i kodiranja podataka o slici, kamera takođe koristi zvučne talase za prenos podataka do prijemnika koji može da rekonstruiše sliku.
Ovo je OPASNIJE od prethodne HISTERIJE- Žele da nam ZABRANE da dišemo
Pošto ne zahteva izvor napajanja, kamera bi mogla da radi nedeljama zaredom pre nego što bude vraćena na kopno. To bi omogućilo naučnicima da pretražuju udaljene delove okeana u potrazi za novim vrstama. Takođe bi se moglo koristiti za snimanje slika zagađenja okeana ili praćenje zdravlja i rasta ribe koja se uzgaja na farmama akvakulture.
„Meni lično jedna od najuzbudljivijih primena ove kamere je u kontekstu praćenja klime. Gradimo klimatske modele, ali nam nedostaju podaci iz preko 95 odsto okeana. Ova tehnologija bi nam mogla pomoći da napravimo preciznije klimatske modele i bolje razumemo kako klimatske promene utiču na podvodni svet“, kaže Fadel Adib, stariji autor novog rada o sistemu. Vanredni je profesor na Katedri za elektrotehniku i računarstvo i direktor grupe Signal Kinetics u MIT Media Lab.
Adibu u radu pridružuju se vodeći autori i istraživački asistenti grupe Signal Kinetics Saied Saad Afzal, Waleed Akbar i Osvi Rodriguez, kao i naučnik Unsoo Ha i bivši istraživači grupe Mario Doumet i Reza Ghaffarivardavagh. Rad je objavljen 26. septembra 2022. u časopisu Nature Communications.
Bez baterije
Da bi napravili kameru koja bi mogla da radi autonomno tokom dužeg vremenskog perioda, naučnicima je bio potreban uređaj koji bi mogao sam da sakuplja energiju pod vodom dok troši veoma malo energije.
Transduktori napravljeni od piezoelektričnih materijala postavljeni su oko spoljašnjosti kamere i koriste se za dobijanje energije. Piezoelektrični materijali proizvode električni signal kada se na njih primeni mehanička sila. Kada zvučni talas koji putuje kroz vodu udari u pretvarače, oni vibriraju i ta mehanička energija se pretvara u električnu energiju.
Ti zvučni talasi mogu doći iz bilo kog izvora, poput broda u prolazu ili morskog života. Kamera skladišti prikupljenu energiju dok se ne prikupi dovoljno da napaja elektroniku koja snima fotografije i prenosi podatke.
Da bi potrošnja energije bila što niža, inženjeri su koristili senzore za snimanje ultra male snage. Međutim, ovi senzori snimaju samo slike u sivim tonovima. A pošto većini podvodnih okruženja nedostaje izvor svetlosti, morali su da razviju i blic male snage.
„Pokušavali smo da minimiziramo hardver što je više moguće, a to stvara nova ograničenja u tome kako izgraditi sistem, poslati informacije i izvršiti rekonstrukciju slike. Bilo je potrebno dosta kreativnosti da se shvati kako to da se uradi“, kaže Adib.
Rešili su oba problema istovremeno koristeći crvene, zelene i plave LED diode. Kada kamera snimi sliku, ona svetli crvenom LED diodom, a zatim koristi senzore slike za snimanje fotografije. Ponavlja isti proces sa zelenim i plavim LED diodama.
Iako slika izgleda crno-bela, crvena, zelena i plava svetlost se reflektuje u belom delu svake fotografije, objašnjava Akbar. Kada se podaci o slici kombinuju u naknadnoj obradi, slika u boji se može rekonstruisati iz tri izvorne slike.
„Kada smo bili deca na času likovne kulture, učili su nas da možemo da napravimo sve boje koristeći tri osnovne boje. Ista pravila važe za slike u boji koje vidimo na našim računarima. Samo nam trebaju crvena, zelena i plava – ova tri kanala – da bismo napravili slike u boji“, kaže on.
Slanje podataka sa zvukom
Kada se snime podaci o slici, oni se kodiraju kao bitovi (1 i 0) i šalju prijemniku jedan bit po jedan koristeći proces koji se zove podvodno povratno rasejanje. Prijemnik prenosi zvučne talase kroz vodu do kamere, koja deluje kao ogledalo koje odražava te talase. Kamera ili reflektuje talas nazad do prijemnika ili menja svoje ogledalo u apsorber tako da se ne reflektuje nazad.
Hidrofon pored predajnika oseća da li se signal odbija od kamere. Ako primi signal, to je bit-1, a ako nema signala, to je bit-0. Sistem koristi ove binarne informacije za rekonstrukciju i naknadnu obradu slike.
„Čitav ovaj proces, pošto zahteva samo jedan prekidač za pretvaranje uređaja iz nerefleksnog stanja u reflektivno stanje, troši pet redova veličine manje energije od tipičnih podvodnih komunikacionih sistema“, kaže Afzal.
Istraživači su testirali kameru u nekoliko podvodnih okruženja. U jednoj su snimili slike u boji plastičnih boca koje plutaju u jezeru u Nju Hempširu. Takođe su uspeli da snime tako kvalitetne fotografije afričke morske zvezde da su se jasno videle sitne tuberkule duž njenih krakova. Uređaj je takođe bio efikasan u višekratnom snimanju podvodne biljke Aponogeton ulvaceus tokom nedelju dana u mračnom okruženju kako bi se pratio njen rast.
Sada kada su demonstrirali radni prototip, inženjeri planiraju da poboljšaju uređaj tako da bude praktičan za primenu u realnim okruženjima. Žele da povećaju memoriju kamere kako bi mogla da snima fotografije u realnom vremenu, strimuje slike ili čak snima podvodne video zapise.
Drugi cilj je da se proširi domet kamere. Oni su uspešno preneli podatke na 40 metara od prijemnika, ali širenje tog opsega omogućilo bi da se kamera koristi u više podvodnih podešavanja.
„Ovo će otvoriti velike mogućnosti za istraživanje kako u IoT uređajima male snage, tako i za podvodno praćenje i istraživanje“, kaže Haitham Al-Hassanieh. On je asistent profesora elektrotehnike i računarstva na Univerzitetu Ilinois Urbana-Šampejn, koji nije bio uključen u ovo istraživanje”.
Referenca: „Bežično snimanje podvodnog okruženja bez baterija“ od Saied Saad Afzal, Valeed Akbar, Osvi Rodriguez, Mario Doumet, Unsoo Ha, Reza Ghaffarivardavagh i Fadel Adib, 26. septembar 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-33223-k
