Μια ασύρματη υποβρύχια κάμερα που λειτουργεί χωρίς μπαταρία, η οποία είναι περίπου 100.000 φορές πιο ενεργειακά αποδοτική από άλλες αντίστοιχες κάμερες, κατασκευάστηκε από ερευνητική ομάδα του ΜΙΤ. Η συσκευή θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να εξερευνήσουν άγνωστες περιοχές του ωκεανού, να παρακολουθούν τη ρύπανση ή τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής.
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι περισσότερο από το 95% των ωκεανών της Γης δεν έχουν εξερευνηθεί ποτέ, πράγμα που σημαίνει ότι έχουμε δει λιγότερο ποσοστό από τον ωκεανό του πλανήτη μας από το αντίστοιχο ποσοστό για την σκοτεινή πλευρά της Σελήνης ή την επιφάνεια του Άρη. Το υψηλό κόστος της τροφοδοσίας με ενέργεια μιας υποβρύχιας κάμερας για μεγάλο χρονικό διάστημα μέσω σύνδεσής της σε ένα ερευνητικό σκάφος ή κινητοποίησης ενός σκάφους για να επαναφορτίσει τις μπαταρίες της είναι ένα ζήτημα και μια πρόκληση που περιορίζει σημαντικά τις δυνατότητες εκτεταμένης υποθαλάσσιας εξερεύνησης.
Οι ερευνητές του MIT έκαναν ένα σημαντικό βήμα για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, αναπτύσσοντας μια ασύρματη υποβρύχια κάμερα που λειτουργεί χωρίς μπαταρία, η οποία είναι περίπου 100.000 φορές πιο ενεργειακά αποδοτική από άλλες αντίστοιχες κάμερες. Η συσκευή τραβάει έγχρωμες φωτογραφίες, ακόμη και σε σκοτεινά υποβρύχια περιβάλλοντα, και μεταδίδει δεδομένα εικόνας ασύρματα μέσω του νερού.
Η αυτόνομη κάμερα τροφοδοτείται από τον ήχο. Μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια από τα ηχητικά κύματα που ταξιδεύουν μέσω του νερού σε ηλεκτρική ενέργεια που τροφοδοτεί τον εξοπλισμό απεικόνισης και επικοινωνίας. Μετά τη λήψη και την κωδικοποίηση δεδομένων εικόνας, η κάμερα χρησιμοποιεί επίσης ηχητικά κύματα για τη μετάδοση των δεδομένων σε έναν δέκτη που σχηματοποιεί εκ νέου την εικόνα.
Εφόσον δε χρειάζεται πηγή ενέργειας, η κάμερα θα μπορούσε να λειτουργεί για εβδομάδες αυτόνομη, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αναζητήσουν νέα είδη ζωής σε απομακρυσμένα σημεία των ωκεανών. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη εικόνων ρύπανσης των ωκεανών ή την παρακολούθηση της υγείας και της ανάπτυξης των ψαριών που εκτρέφονται σε φάρμες υδατοκαλλιέργειας.
«Μία από τις πιο συναρπαστικές εφαρμογές αυτής της ενεργειακά αυτόνομης υποβρύχιας κάμερας για εμένα προσωπικά είναι η παρακολούθηση του κλίματος. Κατασκευάζουμε κλιματικά μοντέλα, αλλά μας λείπουν δεδομένα για περισσότερο από το 95% των ωκεανών. Η τεχνολογία που αναπτύσοουμε στην κάμερα θα μπορούσε να μας βοηθήσει να δημιουργήσουμε πιο ακριβή κλιματικά μοντέλα και να κατανοήσουμε καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο η κλιματική αλλαγή επηρεάζει τη φύση κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας», λέει ο Fadel Adib, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών, Διευθυντής της ομάδας Signal Kinetics στο MIT Media Lab και βασικός συγγραφέας μιας νέας εργασίας που περιγράφει την ανακάλυψη της ομάδας.
Την εργασία που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications υπογράφουν, εκτός από τον Adib, τρεις ερευνητές της ομάδας Signal Kinetics, ο Sayed Saad Afzal, ο Waleed Akbar και ο Osvy Rodriguez, καθώς και ο ερευνητής Unsoo Ha και οι πρώην ερευνητές του MIT, Mario Doumet και Reza Ghaffarivardavagh.
Χωρίς μπαταρία
Για να κατασκευάσουν μια κάμερα που θα μπορούσε να λειτουργεί αυτόνομα για μεγάλα χρονικά διαστήματα, οι ερευνητές χρειάζονταν μια συσκευή που θα μπορούσε να συλλέγει ενέργεια κάτω από το νερό μόνη της ενώ ταυτόχρονα θα κατανάλωνε πολύ λίγη ενέργεια. Η κάμερα αποκτά ενέργεια χρησιμοποιώντας μετατροπείς κατασκευασμένους από πιεζοηλεκτρικά υλικά που τοποθετούνται γύρω από το εξωτερικό της. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά παράγουν ηλεκτρικό σήμα όταν ασκείται σε αυτά μηχανική δύναμη.
Όταν ένα ηχητικό κύμα που ταξιδεύει μέσα στο νερό χτυπά τους μετατροπείς, αυτοί δονούνται και μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα ηχητικά κύματα που αξιοποιεί η κάμερα θα μπορούσαν να προέρχονται από οποιαδήποτε πηγή, όπως ένα διερχόμενο πλοίο ή ακόμη και ήχους από την ίδια τη θαλάσσια ζωή. Η κάμερα αποθηκεύει τη συλλεγόμενη ενέργεια μέχρι να συσσωρευτεί αρκετή για να τροφοδοτήσει τα ηλεκτρονικά που τραβούν φωτογραφίες και επικοινωνούν δεδομένα.
Για να διατηρήσουν την κατανάλωση ενέργειας όσο το δυνατόν χαμηλότερη, οι ερευνητές του ΜΙΤ χρησιμοποίησαν ανεξάρτητους αισθητήρες απεικόνισης εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωσης. Το πρόβλημα ήταν ότι αυτοί οι αισθητήρες καταγράφουν μόνο εικόνες σε αποχρώσεις του γκρι. Και δεδομένου ότι τα περισσότερα υποβρύχια περιβάλλοντα δε διαθέτουν πηγή φωτός, έπρεπε να αναπτύξουν επίσης ένα φλας χαμηλής ισχύος.
«Προσπαθούσαμε να ελαχιστοποιήσουμε το hardware όσο το δυνατόν περισσότερο και αυτό δημιουργεί νέους περιορισμούς στον τρόπο κατασκευής του συστήματος, αποστολής πληροφοριών και ανακατασκευής της εικόνας. Χρειάστηκε αρκετή δημιουργικότητα για να καταλάβουμε πώς να το κάνουμε αυτό», λέει ο Adib.
Οι ερευνητές κατάφεραν να λύσουν και τα δύο προβλήματα ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας κόκκινα, πράσινα και μπλε φώτα LED. «Όταν η κάμερα καταγράφει μια εικόνα, ανάβει ένα κόκκινο LED και στη συνέχεια χρησιμοποιεί αισθητήρες εικόνας για τη λήψη της φωτογραφίας. Επαναλαμβάνει την ίδια διαδικασία με πράσινα και μπλε LED. Παρόλο που η εικόνα φαίνεται ασπρόμαυρη, το κόκκινο, πράσινο και μπλε έγχρωμο φως αντανακλάται στο λευκό μέρος κάθε φωτογραφίας. Όταν τα δεδομένα της εικόνας συνδυάζονται σε μετα-επεξεργασία, η έγχρωμη εικόνα μπορεί να ανακατασκευαστεί», εξηγεί ο Akbar.
«Όταν ήμασταν παιδιά στο μάθημα της ζωγραφικής και των καλλιτεχνικών, μας έμαθαν ότι μπορούσαμε να φτιάξουμε όλα τα χρώματα χρησιμοποιώντας τρία βασικά χρώματα. Οι ίδιοι κανόνες ακολουθούνται και στις έγχρωμες εικόνες που βλέπουμε στους υπολογιστές μας. Χρειαζόμαστε απλώς κόκκινο, πράσινο και μπλε -αυτά τα τρία βασικά χρώματα- για να δημιουργήσουμε έγχρωμες εικόνες», προσθέτει ο Adib.
Αποστολή δεδομένων με ήχο
Μόλις ληφθούν τα δεδομένα εικόνας, κωδικοποιούνται ως bit (1 και 0) και αποστέλλονται σε έναν δέκτη ένα bit τη φορά χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται underwater backscatter. Ο δέκτης μεταδίδει ηχητικά κύματα μέσω του νερού στην κάμερα, η οποία λειτουργεί ως καθρέφτης για να αντανακλά αυτά τα κύματα. Η κάμερα είτε αντανακλά ένα κύμα πίσω στο δέκτη ή αλλάζει τον καθρέφτη της σε απορροφητή ώστε να μην αντανακλάται τίποτα.
Ένα υδρόφωνο δίπλα στον πομπό αντιλαμβάνεται εάν ένα σήμα ανακλάται από την κάμερα. Αν λάβει σήμα, αυτό είναι bit-1, και αν δεν υπάρχει σήμα, αυτό είναι bit-0. Το σύστημα χρησιμοποιεί αυτές τις δυαδικές πληροφορίες για την ανακατασκευή και τη μεταγενέστερη επεξεργασία της εικόνας. «Όλη αυτή η διαδικασία, δεδομένου ότι απαιτεί απλώς έναν μόνο διακόπτη για τη μετατροπή της συσκευής από μια μη ανακλαστική κατάσταση σε μια ανακλαστική κατάσταση, καταναλώνει πέντε τάξεις μεγέθους λιγότερη ενέργεια από τα τυπικά υποβρύχια συστήματα επικοινωνιών», λέει ο Afzal.
Οι ερευνητές δοκίμασαν την κάμερα σε πολλά υποβρύχια περιβάλλοντα. Σε μια λίμνη στο New Hampshire απαθανάτισαν έγχρωμες εικόνες πλαστικών μπουκαλιών που επιπλέουν. Κατάφεραν επίσης να τραβήξουν τόσο υψηλής ποιότητας φωτογραφίες ενός αφρικανικού αστερία στις οποίες φαίνονται με εξαιρετική ακρίβεια οι λεπτομέρειες κατά μήκος των βραχιόνων του. Η συσκευή ήταν επίσης αποτελεσματική στην επανειλημμένη απεικόνιση του υποβρύχιου φυτού Aponogeton ulvaceus σε σκοτεινό περιβάλλον κατά τη διάρκεια μιας εβδομάδας για την παρακολούθηση της ανάπτυξής του.
Τώρα που οι ερευνητές έχουν αναπτύξει και δοκιμάσει ένα λειτουργικό πρωτότυπο, η ομάδα σχεδιάζει να βελτιώσει τη συσκευή ώστε να είναι λειτουργική σε πραγματικές συνθήκες, με αύξηση της μνήμης της κάμερας, ώστε να μπορεί να τραβήξει φωτογραφίες σε πραγματικό χρόνο, να μεταδώσει εικόνες ή ακόμα και να τραβήξει υποβρύχια βίντεο. Θέλουν επίσης να επεκτείνουν την εμβέλεια της κάμερας. Έχουν καταφέρει να μεταδώσουν με επιτυχία δεδομένα από απόσταση 40 μέτρων από τον δέκτη, αλλά η αύξηση της εμβέλειας της κάμερας θα της επέτρεπε να χρησιμοποιηθεί σε ακόμη περισσότερα θαλάσσια περιβάλλοντα.
«Αυτό θα ανοίξει μεγάλες ευκαιρίες για έρευνα τόσο σε συσκευές IoT χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας όσο και σε υποβρύχια παρακολούθηση και έρευνα», λέει ο Haitham Al-Hassanieh, Επίκουρος Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Illinois Urbana-Champaign, ο οποίος δεν είχε εμπλακεί στην αρχική έρευνα.
* Η έρευνα έχει υποστηριχθεί οικονομικά, εν μέρει, από το Office of Naval Research, την Sloan Research Fellowship, το National Science Foundation, το MIT Media Lab και την Doherty Chair in Ocean Utilization.
Με πληροφορίες από news.mit.edu
