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¡Los ingenieros del MIT construyen una cámara submarina inalámbrica que no necesita baterías!
Las nuevas cámaras submarinas pueden ayudar a los científicos a explorar áreas marinas desconocidas, rastrear la contaminación o monitorear los efectos del cambio climático.
Los científicos estiman que más del 95% de los océanos de la tierra nunca han sido observados, lo que significa que vemos menos océanos de la tierra que en el extremo lejano de la Luna o en la superficie de Marte.
Uno de los graves desafíos para detener la exploración extensiva de los fondos marinos es el alto costo de suministrar energía a las cámaras submarinas durante largos períodos de tiempo. Para ello, es necesario atarlo a un buque de investigación o a menudo enviar un buque para cargar la batería.
Para superar este problema, los ingenieros del MIT han dado un paso importante en el desarrollo de una cámara submarina inalámbrica ultra eficiente sin batería. De hecho, es 100.000 veces más eficiente que otras cámaras submarinas. Incluso en un entorno submarino oscuro, el dispositivo puede tomar fotos en color y transmitir datos de imagen de forma inalámbrica a través del agua.
Lo único de esta cámara automática es que está impulsada por el sonido. Convierte la energía mecánica de las ondas sonoras que viajan por el agua en energía eléctrica, proporcionando energía a los equipos de imagen y comunicación. Después de capturar y codificar los datos de la imagen, la Cámara también utiliza ondas sonoras para transmitir los datos a un receptor que puede reconstruir la imagen.
Debido a que no requiere energía, la Cámara puede funcionar durante semanas para recuperarla, lo que permitirá a los científicos buscar nuevas especies en zonas remotas del océano. También se puede utilizar para capturar imágenes de la contaminación marina o para vigilar la salud y el crecimiento de los peces de la acuicultura.
"Una de las aplicaciones más emocionantes de esta cámara para mí personalmente es la vigilancia del clima. Estamos construyendo modelos climáticos, pero nos faltan más del 95% de los datos oceánicos. Esta tecnología puede ayudarnos a construir modelos climáticos más precisos y entender mejor cómo el cambio climático afecta al mundo submarino", dijo Fadel Adib. Autor principal de un nuevo documento sobre el sistema. Es profesor asociado en el Departamento de ingeniería eléctrica y Ciencias de la computación y Director del Grupo de dinámica de señales del laboratorio de medios del MIT.
En colaboración con Adib, Sayed Saad Afzal, asistente de investigación del Grupo de dinámica de señales, Waleed Akbar y osvy Rodriguez, coautor principal del documento, y el científico de investigación unsoo ha, as í como los ex investigadores del Grupo Mario doumet y reza ghaffarivardavagh. El artículo fue publicado hoy (26 de septiembre de 2022) en la revista Nature Communications.
Sin batería
Para hacer cámaras que funcionen independientemente durante largos períodos de tiempo, los científicos necesitan un dispositivo que recoja energía bajo el agua y consuma menos electrodos.
Un sensor de material piezoeléctrico se coloca fuera de la Cámara para obtener energía. El material piezoeléctrico produce una señal eléctrica cuando se somete a una fuerza mecánica. Cuando las ondas sonoras viajan a través del agua y golpean los sensores, los sensores vibran y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica.
Estas ondas sonoras pueden provenir de cualquier fuente, como barcos que pasan o criaturas marinas. La Cámara almacena la energía reunida hasta que proporciona suficiente energía para los dispositivos electrónicos que toman fotos y transmiten datos.
Con el fin de reducir al mínimo el consumo de energía, los ingenieros utilizan sensores de imagen de ultra baja potencia disponibles. Sin embargo, estos sensores sólo capturan imágenes grises. Debido a la falta de fuentes de luz en la mayoría de los entornos submarinos, también necesitan desarrollar flash de baja potencia.
"Tratamos de reducir el hardware tanto como sea posible, lo que crea nuevas restricciones sobre cómo construir sistemas, enviar mensajes y reconstruir imágenes. Se necesita mucha creatividad para hacerlo", dijo Adib.
Ambos problemas se resolvieron utilizando leds rojos, verdes y azules. Cuando la Cámara captura una imagen, emite un LED rojo y luego toma una foto usando un sensor de imagen. Utiliza leds verdes y azules para repetir el mismo proceso.
Akbar explica que incluso si la imagen se ve en blanco y negro, la parte blanca de cada imagen refleja luz roja, verde y azul. Cuando los datos de imagen se combinan en el post - procesamiento, las imágenes de color se pueden reconstruir a partir de tres imágenes fuente.
"Cuando éramos niños, en la clase de Arte nos enseñaron a hacer todos los colores con tres colores básicos. Las imágenes de color que vemos en las computadoras siguen las mismas reglas. Sólo necesitamos tres canales, rojo, verde y azul, para construir imágenes de color", dijo.
Enviar datos en voz alta
Una vez capturados los datos de imagen, se codifican como bits (1 y 0) y se transmiten al receptor uno a la vez utilizando un proceso llamado retrodispersión subacuática. El receptor transmite ondas sonoras a través del agua a la Cámara, que refleja las ondas sonoras como un espejo. La Cámara refleja una onda de nuevo al receptor o cambia su espejo a un absorbedor para que no se refleje de nuevo.
El hidrófono junto al transmisor detecta si la señal se refleja en la Cámara. Si recibe una señal, bit - 1, y si no hay señal, bit - 0. El sistema utiliza esta información binaria para reconstruir y post - procesar la imagen.
"El consumo de energía se reduce en cinco órdenes de magnitud en comparación con los sistemas de comunicación submarina típicos, ya que todo el proceso requiere un solo interruptor para convertir el dispositivo de un Estado no reflectante a un Estado reflectante", dijo Afzal.
Los investigadores probaron la Cámara en varios ambientes submarinos. En una de las fotos, tomaron imágenes en color de botellas de plástico flotando en estanques en New Hampshire. También pudieron tomar fotos de alta calidad de una estrella de mar africana con pequeños nódulos visibles en sus brazos. El dispositivo también puede monitorear eficazmente el crecimiento de la planta submarina aponogeton ulvaceus mediante imágenes repetidas de una semana de duración en un entorno oscuro.
Ahora han demostrado un prototipo de trabajo que los ingenieros planean mejorar para hacer su despliegue más práctico en el entorno real. Quieren aumentar la memoria de la Cámara para que pueda tomar fotos en tiempo real, streaming e incluso video submarino.
Otro objetivo es ampliar el alcance de la Cámara. Tienen éxito en la transmisión de datos a una distancia de 40 metros (130 pies) del receptor, pero la ampliación permitirá que la Cámara se utilice en un entorno más submarino.
"Esto ofrecerá enormes oportunidades de investigación para dispositivos de Internet de las cosas de baja potencia, as í como para la vigilancia e investigación submarinas", dijo heitham al hassanieh. Fue profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois en urbana Champaign y no participó en el estudio.
Referencias: Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, osvy Rodriguez, Mario doumet, unsoo ha, reza ghaffarivardavagh y Fadel Adib, "Battery - free Wireless Imaging for Underwater Environments", 26 de septiembre de 2022, Nature Communications.
Identificación del objeto digital: 10.1038 / s41467 - 022 - 33223 - X
El estudio contó en parte con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval, la Fundación Sloan, la Fundación Nacional de Ciencias, el laboratorio de medios del MIT y el Presidente Dougherty sobre el uso del mar.
