MIT-ingenieurs bouwen een batterijloze, draadloze onderwatercamera

De hoge kosten om een ​​onderwatercamera lange tijd van stroom te voorzien, door hem aan een onderzoeksschip te binden of een schip te sturen om zijn batterijen op te laden, belemmeren wijdverbreid onderzeeonderzoek. MIT-onderzoekers hebben nu een batterijloze, draadloze onderwatercamera ontwikkeld die 100.000 keer energiezuiniger is dan andere onderzeecamera’s.

Het apparaat maakt kleurenfoto’s, zelfs in donkere onderwateromgevingen, en verzendt beeldgegevens draadloos door het water.

De autonome camera wordt aangedreven door geluid. Hij zet mechanische energie van geluidsgolven die door water bewegen om in elektrische energie die zijn beeld- en communicatieapparatuur aandrijft. Na het vastleggen en coderen van beeldgegevens, gebruikt de camera ook geluidsgolven om gegevens te verzenden naar een ontvanger die het beeld reconstrueert.

“Een van de meest opwindende toepassingen van deze camera voor mij persoonlijk is in de context van klimaatmonitoring. We bouwen klimaatmodellen, maar we missen gegevens van meer dan 95 procent van de oceaan. Deze technologie kan ons helpen nauwkeurigere klimaatmodellen te bouwen en beter te begrijpen hoe klimaatverandering de onderwaterwereld beïnvloedt”, zegt Fadel Adib, senior auteur van een paper over het systeem dat is gepubliceerd in Nature Communications.

Batterijloos

Om een ​​camera te bouwen die gedurende lange tijd autonoom kan werken, hadden de onderzoekers een apparaat nodig dat zelfstandig energie kan oogsten onder water en heel weinig stroom verbruikt.

De camera doet energie op met transducers van piëzo-elektrische materialen die rond de buitenkant zijn geplaatst. Deze materialen produceren een elektrisch signaal wanneer er een mechanische kracht op wordt uitgeoefend. Wanneer een geluidsgolf de transducers raakt, trillen ze en zetten die mechanische energie om in elektrische energie.

De geluidsgolven kunnen van elke bron komen, zoals een passerend schip of zeeleven. De camera slaat de geoogste energie op tot ervoldoende is om de elektronica van stroom te voorzien die foto’s maakt en gegevens communiceert.

Om het stroomverbruik zo laag mogelijk te houden, gebruikten de onderzoekers kant-en-klare, ultra-low-power beeldsensoren. Maar deze sensoren leggen alleen grijswaardenafbeeldingen vast. En aangezien de meeste onderwateromgevingen geen lichtbron hebben, moesten ze ook een flits met laag vermogen ontwikkelen.

Flits

“We probeerden de hardware zo veel mogelijk te minimaliseren, en dat creëert nieuwe beperkingen bij het bouwen van het systeem, het verzenden van informatie en het uitvoeren van beeldreconstructie. Er was behoorlijk wat creativiteit voor nodig om erachter te komen hoe we dit konden doen”, zegt Adib.

Ze losten beide problemen tegelijkertijd op met behulp van rode, groene en blauwe Leds. Wanneer de camera een afbeelding vastlegt, brandt een rode Led en gebruikt vervolgens beeldsensoren om de foto te maken. Het herhaalt hetzelfde proces met groene en blauwe Leds.

Hoewel de afbeelding er zwart-wit uitziet, wordt het rode, groene en blauwe licht weerspiegeld in het witte deel van elke foto, legt Akbar uit. Wanneer de beeldgegevens worden gecombineerd in de nabewerking, kan het kleurenbeeld worden gereconstrueerd.

Gegevens verzenden met geluid

Zodra beeldgegevens zijn vastgelegd, worden ze gecodeerd als bits (enen en nullen) en bit voor bit naar een ontvanger gestuurd met behulp van een proces dat onderwaterbackscatter wordt genoemd. De ontvanger zendt geluidsgolven door het water naar de camera, die als spiegel fungeert om die golven te weerkaatsen. De camera reflecteert een golf terug naar de ontvanger of verandert de spiegel in een absorber zodat deze niet terugkaatst. Een hydrofoon naast de zender detecteert of een signaal door de camera wordt teruggekaatst. Als het een signaal ontvangt, is dat een bit-1, en als er geen signaal is, is dat een bit-0. Het systeem gebruikt deze binaire informatie om het beeld te reconstrueren en na te bewerken.

“Dit hele proces verbruikt vijf ordes van grootte minder stroom dan typische onderwatercommunicatiesystemen”, zegt Afzal, “aangezien er slechts een enkele schakelaar nodig is om het apparaat van een niet-reflecterende naar een reflecterende staat te converteren.”

Tests

De onderzoekers testten de camera in verschillende onderwateromgevingen. In één daarvan maakten ze kleurenfoto’s van plastic flessen die in een vijver in New Hampshire dreven. Ze konden zulke hoogwaardige foto’s te maken van een Afrikaanse zeester dat kleine knobbeltjes langs zijn armen duidelijk zichtbaar waren. Het apparaat kon ook de onderwaterplant Aponogeton Ulvaceus in een donkere omgeving in de loop van een week herhaaldelijk in beeld brengen om de groei te volgen.

Nu ze een werkend prototype hebben gedemonstreerd, zijn de onderzoekers van plan om het apparaat te verbeteren, om het praktisch toepasbaar te maken voor de echte wereld. Ze willen het geheugen van de camera vergroten, zodat deze in realtime foto’s kan maken, beelden kan streamen of zelfs onderwatervideo’s kan maken. Ook willen ze het bereik vergroten. Ze hebben tot nu toe gegevens verzonden op 40 meter van de ontvanger.