По оценкам ученых, более 95 процентов океанов Земли никогда не наблюдались, а это означает, что мы изучили толщу океанов нашей планеты меньше, чем обратную сторону Луны или поверхность Марса.
Одной из серьезнейших проблем, препятствующих широкомасштабным подводным исследованиям, является высокая стоимость питания подводной камеры в течение длительного времени. Для этого теперь требуется привязать его к исследовательскому судну или часто отправлять корабль для перезарядки батарей.
Инженеры Массачусетского технологического института сделали важный шаг для решения этой проблемы, разработав сверхэффективную беспроводную подводную камеру без батареи. Фактически, она примерно в 100 000 раз более энергоэффективна, чем другие подводные камеры. Даже в темных подводных условиях устройство может делать цветные фотографии и передавать данные изображения по беспроводной сети через воду.
Что делает эту автономную камеру особенно уникальной, так это то, что она питается от звука. Она преобразует механическую энергию звуковых волн, проходящих через воду, в электрическую энергию, питающую ее оборудование для обработки изображений и связи. После захвата и кодирования данных изображения камера также использует звуковые волны для передачи данных на приемник, который может реконструировать изображение.
Поскольку ей не требуется источник питания, камера может работать неделями, прежде чем ее извлекут. Это позволит ученым искать в отдаленных частях океана новые виды. Ее также можно использовать для съемки загрязнения океана или наблюдения за здоровьем и ростом рыбы, выращиваемой на аквакультурных фермах.
Чтобы создать камеру, которая могла бы работать автономно в течение длительного времени, ученым требовалось устройство, которое могло бы самостоятельно собирать энергию под водой, потребляя при этом очень мало энергии.
Преобразователи, изготовленные из пьезоэлектрических материалов, размещаются снаружи камеры и используются для получения энергии. Пьезоэлектрические материалы производят электрический сигнал при приложении к ним механической силы. Когда звуковая волна, проходящая через воду, попадает на преобразователи, они вибрируют, и эта механическая энергия преобразуется в электрическую.
Эти звуковые волны могут исходить из любого источника, например, от проходящего корабля или морских обитателей. Камера хранит собранную энергию до тех пор, пока ее не накопится достаточно для питания электроники, которая делает фотографии и передает данные.
Чтобы максимально снизить энергопотребление, инженеры использовали стандартные датчики изображения со сверхнизким энергопотреблением. Однако эти датчики фиксируют только изображения в градациях серого. А поскольку в большинстве подводных сред отсутствует источник света, им также необходимо было разработать маломощную вспышку.
Они решили обе проблемы одновременно, используя красный, зеленый и синий светодиоды. Когда камера захватывает изображение, она загорается красным светодиодом, а затем использует датчики изображения, чтобы сделать снимок. Тот же процесс повторяется с зеленым и синим светодиодами.
Авторы изобретения объясняют, что несмотря на то, что изображение выглядит черно-белым, красный, зеленый и синий цвета отражаются в белой части каждой фотографии. Когда данные изображения объединяются при постобработке, цветное изображение может быть восстановлено из трех исходных изображений.
Отправка данных звуком
Как только данные изображения захвачены, они кодируются как биты (1 и 0) и отправляются приемнику по одному биту за раз с использованием процесса, называемого подводным обратным рассеянием. Приемник передает звуковые волны через воду на камеру, которая действует как зеркало, отражающее эти волны. Камера либо отражает волну обратно к приемнику, либо меняет свое зеркало на поглотитель, чтобы она не отражалась обратно.
Гидрофон рядом с передатчиком определяет, отражается ли сигнал от камеры. Если он получает сигнал, это бит-1, а если сигнала нет, это бит-0. Система использует эту двоичную информацию для реконструкции и последующей обработки изображения.
Исследователи протестировали камеру в нескольких подводных средах. В одном из них они сделали цветные снимки пластиковых бутылок, плавающих в пруду Нью-Гэмпшира. Им также удалось сделать настолько качественные фотографии африканской морской звезды, что были отчетливо видны крошечные бугорки вдоль ее щупалец. Устройство также было эффективным при неоднократном отображении подводного растения Aponogeton ulvaceus в течение недели в темноте для наблюдения за его ростом.
Теперь, когда они продемонстрировали работающий прототип, инженеры 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.
Другая цель — расширить диапазон камеры. Они успешно передавали данные на расстоянии 40 метров от приемника, но расширение этого диапазона позволило бы использовать камеру в более суровых условиях.
