De onderwateromgeving kan voor het menselijk oog lijken op een dofblauwe, karakterloze ruimte. Echter, een enorm landschap van polarisatiepatronen verschijnt wanneer bekeken door een camera die is ontworpen om de wereld te zien door de ogen van veel van de dieren die in het water leven.

Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben een GPS-methode onder water ontwikkeld door polarisatie-informatie te gebruiken die is verzameld met een bio-geïnspireerde camera die de ogen van de bidsprinkhaangarnaal nabootst. De bevindingen, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , zijn de eersten die passieve onderwater-GPS demonstreren met behulp van de polarisatie-eigenschappen van onderwaterlicht. Deze technologie zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor onderzeese navigatie en begrip van het trekgedrag van zeedieren.

De camera, een variant van een polarisatie-imager genaamd Mantis Cam naar de garnaal die het inspireerde, profiteert van hoe licht breekt, of bochten, wanneer het door het wateroppervlak gaat en tegen deeltjes en watermoleculen weerkaatst.

"We verzamelden polarisatiegegevens onder water van over de hele wereld in ons werk met mariene biologen en merkten dat de polarisatiepatronen van het water voortdurend veranderden, " zei studieleider Viktor Gruev, een professor in elektrische en computertechnologie uit Illinois en een professor aan het Carle Illinois College of Medicine. "Dit stond in schril contrast met wat biologen dachten over polarisatie-informatie onder water. Ze dachten dat de patronen het gevolg waren van een camerastoring, maar we waren vrij zeker van onze technologie, dus ik wist dat dit fenomeen nader onderzoek rechtvaardigde."

Na terugkomst in het laboratorium, Gruev en afgestudeerde student en co-auteur Samuel Powell hebben vastgesteld dat de polarisatiepatronen onder water het resultaat zijn van de positie van de zon ten opzichte van de locatie waar de opnamen zijn gemaakt. Ze ontdekten dat ze de polarisatiepatronen onder water kunnen gebruiken om de richting en elevatiehoek van de zon te schatten, waardoor ze hun GPS-coördinaten kunnen achterhalen door de datum en tijd van de opnames te kennen.

"We hebben onze onderwater-gps-methode getest door onze bio-geïnspireerde camera te koppelen aan een elektronisch kompas en een kantelsensor om de polarisatiegegevens onder water te meten op verschillende locaties over de hele wereld, diepten, windomstandigheden en tijden van de dag, " zei Gruev, die ook verbonden is aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de University of Illinois. "We hebben ontdekt dat we onze positie op de planeet tot op 61 km nauwkeurig kunnen bepalen."

Deze technologie kan nieuwe manieren openen voor mensen en robots om beter onder water te navigeren met behulp van visuele aanwijzingen van gepolariseerd licht. "We zouden onze onderwater-gps-methode kunnen gebruiken om vermiste vliegtuigen te lokaliseren, of maak zelfs een gedetailleerde kaart van de zeebodem, "Zei Powell. "Robotzwermen uitgerust met onze sensoren kunnen een goedkope manier zijn voor onderwaterdetectie op afstand - het zou zeker kosteneffectiever zijn dan de huidige methoden."

Dit onderzoek kan ook leiden tot nieuwe inzichten in het trekgedrag van veel mariene soorten.

"Dieren zoals schildpadden en palingen, bijvoorbeeld, gebruiken waarschijnlijk een hele reeks sensoren om hun jaarlijkse migratieroutes te navigeren die hen duizenden kilometers over oceanen voeren, Gruev zei. "Die sensoren kunnen een combinatie van magnetische, olfactorische en mogelijk - zoals ons onderzoek suggereert - visuele aanwijzingen op basis van polarisatie-informatie."

Een ander aspect van deze technologie is het potentieel om onderzoekers te helpen begrijpen hoe vervuiling de trekroutes van dieren die gevoelig zijn voor gepolariseerd licht kan veranderen.

"Het is zeer waarschijnlijk dat verhoogde verontreinigende stoffen in de lucht en het water de polarisatiepatronen onder water veranderen, waardoor de onderzeese omgeving er anders uitziet dan veel dieren hebben geleerd, Gruev zei. "Onze onderwater-GPS-methode kan inzicht verschaffen in hoe sommige langeafstandstrekdieren, zoals walvissen, zou in de war kunnen raken en op de verkeerde plaatsen terecht kunnen komen."

Bijvoorbeeld, steeds meer walvissen stranden dicht bij de kust van Californië, where they have never been observed before, Gruev said. "Perhaps pollutions is the indirect culprit for this reason, as it affects the underwater polarization patterns necessary for migratory behavior."