Znanstvenici MIT-a razvili bežičnu podvodnu kameru bez baterija

[Foto: Alan Glanzman / MIT] Znanstvenici procjenjuju da više od 95 posto Zemljinih oceana nikada promatrano, što znači da smo vidjeli manje naših oceana nego udaljene strane Mjeseca ili površine Marsa. Visoki troškovi dugotrajnog napajanja podvodne kamere pričvršćene za istraživački brod ili odlazak broda na punjenje baterija veliki su izazovi koji koče detaljnije istraživanje podmorja. Istraživači MIT-a napravili su veliki korak u prevladavanju ovog problema razvojem bežične podvodne kamere bez baterija koja je oko 100.000 puta energetski učinkovitija od ostalih podvodnih kamera. Uređaj snima fotografije u boji, čak i u mračnom podmorju, i bežično prenosi slikovne podatke kroz vodu. Autonomna kamera se napaja zvukom. Pretvara mehaničku energiju zvučnih valova koji putuju kroz vodu u električnu koja napaja opremu za snimanje i komunikaciju. Nakon snimanja i kodiranja slikovnih podataka, kamera koristi zvučne valove za prijenos podataka do prijemnika koji rekonstruira sliku. Budući da ne treba izvor energije, kamera bi mogla raditi tjednima bez prestanka, omogućujući znanstvenicima potragu za novim vrstama u dubokim dijelovima oceana. Može se koristiti i za snimanje onečišćenja u oceanu, praćenje zdravlja morskih organizama ili rasta riba koje se uzgajaju u uzgajalištima. “Meni osobno jedna od najuzbudljivijih primjena ove kamere je u kontekstu praćenja klime. Gradimo klimatske modele, ali nedostaju nam podaci iz više od 95 posto oceana. Ova tehnologija mogla bi nam pomoći da izgradimo točnije klimatske modele i bolje razumijemo kako klimatske promjene utječu na podvodni svijet,” kaže Fadel Adib, izvanredni profesor na Odjelu za elektrotehniku ​​i računarstvo i direktor grupe Signal Kinetics u MIT Media Labu, i stariji autor novog rada o sustavu. Z njge u istraživanju su kao suautori i pomoćnici sudjelovali Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar i Osvy Rodriguez, znanstvenik istraživač Unsoo Ha te sada bivši članovi tima istraživači Mario Doumet i Reza Ghaffarivardavagh. Rad je objavljen u časopisu Nature Communications. Sustav koji radi bez baterije Kako bi napravili kameru koja može autonomno raditi dulje vrijeme, istraživačim su morali osmisliti uređaj koji može prikupljati energiju pod vodom, a da pritom troši vrlo malo energije. Kamera dobiva energiju pomoću pretvarača izrađenih od piezoelektričnih materijala koji se smješteni na njenu vanjsku opnu. Piezoelektrični materijali proizvode električni signal kada na njih djeluje mehanička sila. Kada zvučni val koji putuje kroz vodu pogodi pretvarače, oni vibriraju i pretvaraju tu mehaničku energiju u električnu. Ti zvučni valovi mogu doći iz bilo kojeg izvora, poput broda u prolazu ili kretanja morskih organizama. Kamera pohranjuje prikupljenu energiju sve dok je ne nakupi dovoljno za napajanje elektroničkih sustava za snimanje i prijenos podataka. Kako bi potrošnja energije bila što je moguće manja, istraživači su upotrijebili gotove slikovne senzore ultra male snage. Ali ti senzori hvataju samo slike u sivim tonovima. A budući da većina podvodnih okruženja nema izvor svjetla, morali su razviti i bljeskalicu male snage. “Pokušavali smo minimizirati hardver što je više moguće, a to stvara nova ograničenja u pogledu izgradnje sustava, slanja informacija i rekonstrukcije slike. Bila je potrebna prilična količina kreativnosti da shvatimo kako to učiniti,” kaže Adib. Riješili su oba problema istovremeno koristeći crvenu, zelenu i plavu LED diodu. Kada kamera snimi sliku, osvijetli crvenu LED lampicu i zatim primjenom slikovnih senzora kreira fotografiju. Ponavlja isti postupak sa zelenim i plavim LED diodama. Iako slika izgleda crno-bijela, crveno, zeleno i plavo svjetlo reflektira se u bijelom dijelu svake fotografije, objašnjava Akbar. Kada se slikovni podaci kombiniraju u naknadnoj obradi, iz njih se može rekonstruirati fotografija u boji. “Kad smo bili djeca,  na satu likovnog učili su nas da možemo napraviti sve boje koristeći tri osnovne boje. Ista pravila vrijede za slike u boji koje vidimo na našim računalima. Potrebni su nam samo tri kanala – crveni, zeleni i plavi – za izradu slika u boji”, razlaže Akbar. Prijenos podataka zvučnim valovima kroz vodu Nakon što su slikovni podaci snimljeni, oni se kodiraju kao bitovi (jedinice i nule) i prijemniku se šalje jedan po jedan bit koristeći proces koji se naziva podvodno povratno raspršivanje. Prijemnik prenosi zvučne valove kroz vodu do kamere, koja se ponaša kao zrcalo koje zrcali te valove. Kamera ili reflektira val natrag do prijemnika ili mijenja svoje zrcalo u apsorber kako se val ne bi reflektirao. Hidrofon pored odašiljača osjeća odbija li se signal od kamere. Ako primi signal, to je bit jedinica (1), a ako signala nema, to je nula (0). Sustav te binarne informacije koristi za rekonstrukciju i naknadnu obradu slike. “Cijeli proces, budući da zahtijeva samo jedan prekidač za pretvaranje uređaja iz stanja bez refleksije u stanje refleksije, troši pet redova veličine manju energiju od tipičnih podvodnih komunikacijskih sustava”, kaže Afzal. Istraživači su testirali kameru u nekoliko podvodnih okruženja. Prilikom jednog testa snimali su fotografije u boji plastičnih boca koje plutaju u ribnjaku u New Hampshireu. Također, uspjeli su snimiti tako kvalitetne fotografije afričke morske zvijezde da su sitne izbočine duž njezinih krakova bile jasno vidljive. Uređaj je bio učinkovit u opetovanom snimanju podvodne biljke Aponogeton ulvaceus u tamnom okruženju tijekom tjedan dana kako bi se pratio njezin rast. Sada kada su demonstrirali radni prototip, istraživači planiraju poboljšati uređaj tako da bude praktičan za primjenu u stvarnom okruženju. Žele povećati memoriju kamere kako bi mogla snimati i slati fotografije u stvarnom vremenu ili čak snimati podvodne videozapise. Žele također proširiti domet kamere. Uspješno su prenijeli podatke na daljinu 40 metara od prijemnika, ali širenje tog dometa omogućilo bi primjenu kamera na većim dubinama i udaljenostima. “Ovo će otvoriti velike mogućnosti za istraživanje IoT uređaja male snage kao i podvodnog nadzora i istraživanja”, kaže Haitham Al-Hassanieh, asistent profesora elektrotehnike i računalnog inženjerstva na Sveučilištu Illinois Urbana-Champaign, nezavisni stručnjak koji nije sudjelovao u istraživanju.