Wetenschappers schatten dat meer dan 95 procent van de oceanen op aarde nooit is waargenomen, wat betekent dat we minder van de oceaan van onze planeet hebben gezien dan aan de andere kant van de maan of het oppervlak van Mars.

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, is een grote uitdaging om wijdverbreide onderzeese verkenning te voorkomen.

MIT-onderzoekers hebben een grote stap gezet om dit probleem te verhelpen door een batterijloze, draadloze onderwatercamera te ontwikkelen die ongeveer 100.000 keer energiezuiniger is dan andere onderzeese camera's. Het apparaat maakt kleurenfoto's, zelfs in donkere onderwateromgevingen, en verzendt beeldgegevens draadloos door het water.

De autonome camera wordt aangedreven door geluid. Het zet mechanische energie van geluidsgolven die door water reizen 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.

Omdat hij geen stroombron nodig heeft, zou de camera wekenlang kunnen werken voordat hij wordt opgehaald, waardoor wetenschappers afgelegen delen van de oceaan kunnen doorzoeken op nieuwe soorten. Het kan ook worden gebruikt om beelden van oceaanvervuiling vast te leggen of om de gezondheid en groei van vissen in aquacultuurkwekerijen te volgen.

"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 zou ons kunnen helpen nauwkeurigere klimaatmodellen te bouwen en beter te begrijpen hoe klimaatverandering de onderwaterwereld beïnvloedt", zegt Fadel Adib, universitair hoofddocent bij de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen en directeur van de Signal Kinetics-groep in het MIT Media Lab, en senior auteur van het artikel.

Naast Adib op het papier zijn co-hoofdauteurs en onderzoeksassistenten van de Signal Kinetics-groep Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar en Osvy Rodriguez, evenals onderzoekswetenschapper Unsoo Ha, en voormalige groepsonderzoekers Mario Doumet en Reza Ghaffarivardavagh. Het artikel is gepubliceerd in Nature Communications .

Batterijloos werken

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

De camera verwerft energie met behulp van transducers gemaakt van piëzo-elektrische materialen die rond de buitenkant zijn geplaatst. Piëzo-elektrische materialen produceren een elektrisch signaal wanneer er een mechanische kracht op wordt uitgeoefend. Wanneer een geluidsgolf die door het water reist de transducers raakt, trillen ze en zetten die mechanische energie om in elektrische energie.

Die geluidsgolven kunnen van elke bron komen, zoals een passerend schip of zeeleven. De camera slaat de geoogste energie op totdat deze voldoende is opgebouwd 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.

"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. Het vergde behoorlijk wat creativiteit om erachter te komen hoe dit te doen," Adib zegt.

Ze losten beide problemen tegelijkertijd op met behulp van rode, groene en blauwe LED's. 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 LED's.

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.

"Toen we kinderen waren in de tekenles, werd ons geleerd dat we alle kleuren konden maken met drie basiskleuren. Dezelfde regels gelden voor kleurenafbeeldingen die we op onze computers zien. We hebben alleen rood, groen en blauw nodig - deze drie kanalen - om kleurenafbeeldingen te maken", zegt hij.

Gegevens verzenden met geluid

Zodra beeldgegevens zijn vastgelegd, worden ze gecodeerd als bits (1s en 0s) 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 de afbeelding te reconstrueren en na te bewerken.

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

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 waren ook in staat om zulke hoogwaardige foto's te maken van een Afrikaanse zeester dat kleine knobbeltjes langs zijn armen duidelijk zichtbaar waren. Het apparaat was ook effectief in het gedurende een week herhaaldelijk in beeld brengen van de onderwaterplant Aponogeton ulvaceus in een donkere omgeving om de groei te volgen.

Nu ze een werkend prototype hebben gedemonstreerd, zijn de onderzoekers van plan om het apparaat te verbeteren, zodat het praktisch kan worden ingezet in 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 van de camera vergroten. Ze hebben met succes gegevens verzonden op 40 meter van de ontvanger, maar door dat bereik groter te maken, zou de camera in meer onderwateromgevingen kunnen worden gebruikt. + Verder verkennen

Op jacht naar donkere energie stopte een telescoop om naar de Kreeftnevel te kijken