Такая камера может помочь ученым исследовать неизвестные области океана, отслеживать его загрязнение или наблюдать за последствиями изменения климата.
Ученые подсчитали, что на более чем 95% Мирового океана никогда не проводились научные наблюдения. Даже обратная сторона Луны или поверхность Марса в этом смысле изучены лучше.
Серьезной проблемой, препятствующей широкомасштабным подводным исследованиям, является то, что подводную камеру надо каким-то образом обеспечивать большим количеством электроэнергии – либо путем подключения ее кабелем к исследовательскому судну, либо периодической заменой аккумуляторов. Это сложно, дорого и, к тому же, ограничивает диапазон ее работы.
Исследователи Массачусетского технологического института предприняли важный шаг для решения этой проблемы, разработав безбатарейную беспроводную подводную камеру, которая примерно в 100 000 раз более энергоэффективна, чем другие. Устройство способно делать цветные фотографии под водой даже в темноте и передавать изображения через толщу воды по беспроводной сети.
Автономная камера работает от звука. Она преобразует механическую энергию звуковых волн, проходящих через воду, в электрическую энергию, которая позволяет ей обрабатывать изображения и поддерживать связь. Сделав снимок, камера кодирует данные и использует звуковые волны для их передачи на приемник, который реконструирует из них исходное изображение. Поскольку ей не нужен стационарный источник питания, камера может автономно работать неделями, что позволит ученым использовать ее для поиска новых видов организмов в отдаленных уголках океана. Ее также можно использовать для съемки загрязнения океана или наблюдения за здоровьем и ростом рыбы, выращиваемой на аквакультурных фермах.
«Наиболее интересная область применения этой камеры лично для меня – для мониторинга климата. Мы строим климатические модели, но нам не хватает данных о более чем 95% океана. Эта технология может помочь нам построить более точные климатические модели и лучше понять, как изменение климата влияет на подводный мир», - говорит Фадель Адиб, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук и директор группы Signal Kinetics в MIT Media Lab (на фото слева).
Чтобы создать камеру, которая могла бы работать автономно в течение длительного времени, исследователям требовалось устройство, которое могло бы самостоятельно аккумулировать энергию под водой, но само при этом потребляло бы очень мало.
Камера получает энергию с помощью пьезоэлектрических преобразователей, которые размещены на ее внешней поверхности. Пьезоэлектрические материалы производят электрический сигнал при приложении к ним механической силы. Когда звуковая волна, проходящая через воду, попадает на преобразователи, они вибрируют и преобразуют эту механическую энергию в электрическую. Эти звуковые волны могут исходить из любого источника, например, от двигателей проходящего корабля или от морских обитателей. Камера аккумулирует собранную энергию до тех пор, пока ее не накопится достаточно для питания электроники, которая делает фотографии и передает данные.
Чтобы максимально снизить энергопотребление, авторы разработки использовали готовые датчики изображения со сверхнизким энергопотреблением. Но эти датчики фиксируют изображения только в градациях серого. А поскольку в толщу воды и на дно по большей части свет не попадает, изобретателям также необходимо было разработать маломощную вспышку.
«Мы пытались свести к минимуму количество аппаратуры, и это накладывало дополнительные ограничения на саму конструкцию, на технологии отправки информации и реконструкции исходного изображения. Потребовалось немало творчества, чтобы понять, как это сделать», - говорит Фадель Адиб.
Они решили обе проблемы одновременно, используя красный, зеленый и синий светодиоды. Когда камера захватывает изображение, загорается красный светодиод, а затем при помощи датчиков изображения делается снимок. Тот же процесс повторяется с зеленым и синим светодиодами. Полученные изображения выглядят черно-белыми, но когда они объединяются при постобработке, то картинка получается цветной.
«В детстве на уроках рисования нас учили, что мы можем получить любой оттенок, используя три основных цвета. Те же правила действуют и для цветных изображений, которые мы видим на наших компьютерах. Нам просто нужны красный, зеленый и синий – эти три канала – для создания цветных изображений», - поясняет Фадель Адиб.
Как только данные изображения получены, они кодируются в двоичной системе (1 и 0) и отправляются на принимающее устройство по одному биту за раз. Приемник передает звуковые волны через воду на камеру, которая действует как зеркало, отражающее эти волны. Камера либо отражает волну обратно к приемнику, либо поглощает ее. Расположенный рядом с приемником гидрофон определяет, отражается ли сигнал от камеры. Если он получает отраженный сигнал, это бит-1, а если сигнала нет, это бит-0. Система использует полученный двоичный код для реконструкции и последующей обработки исходного изображения.
«Поскольку для перехода от отражения к поглощению требуется всего один переключатель, весь этот процесс потребляет на пять порядков меньше энергии, чем типичные подводные системы связи», - говорит соавтор разработки Сайед Саад Афзал.
Исследователи протестировали камеру в разных подводных условиях. Они сделали цветные снимки бутылок, лежащих в пруду Нью-Гэмпшира. Им также удалось сделать очень четкие и детальные фотографии африканской морской звезды. Кроме того, устройство показало свою эффективность при наблюдении за ростом водорослей – снимки выбранного растения делались в условиях недостаточного освещения регулярно в течение недели.
Теперь, когда у разработчиков есть работающий прототип, они планируют усовершенствовать устройство, чтобы его можно было использовать в реальных условиях. Они хотят увеличить объем памяти камеры, чтобы она могла делать фотографии в режиме реального времени, транслировать изображения или даже снимать подводное видео. Также авторы идеи хотят расширить диапазон работы камеры. Они успешно передавали данные на расстояние до 40 метров, но расширение этого диапазона позволило бы использовать камеру на более серьезных глубинах.
Подводный портал www.tetis.ru по материалам сайта news.mit.edu
