دوربین زیر آب بدون باتری و بی سیم

دانشمندان تخمین می زنند که بیش از 95 درصد از اقیانوس های زمین مشاهده نشده است.ما سطح مریخ را بیشتر از اقیانوس های زمین کاوش کرده ایم. بخشی از دلیل عدم مشاهده، چالش تامین انرژی دوربین زیر آب است. محققان از کشتی‌ها برای شارژ مجدد دوربین‌ها استفاده کرده‌اند یا با دوربینی که به یک کشتی بسته شده است، برای حل این مشکل مشاهده کرده‌اند. با این حال، این یک عامل محدود کننده است.

ویژگیهای دوربین زیر آب بدون باتری و بی سیم

برای حل این مشکل، محققان MIT یک دوربین عکاسی زیر آب بدون باتری و بی سیم ساخته اند که تقریباً 100000 برابر بیشتر از سایر دوربین های زیردریایی از نظر انرژی کارآمدتر است. دوربین جدید و مستقل عکس های رنگی را حتی در شرایط تاریک ضبط می کند و می تواند داده ها را به صورت بی سیم از طریق اقیانوس منتقل کند.

استفاده دوربین زیر آب بدون باتری و بی سیم از امواج صوتی

دوربین از صدا تغذیه می کند. این انرژی مکانیکی امواج صوتی را که از آب عبور می کنند به انرژی الکتریکی تبدیل می کند که به تجهیزات تصویربرداری و ارتباطی دوربین انرژی می دهد. پس از ضبط و رمزگذاری داده های تصویر، دوربین از امواج صوتی برای انتقال داده ها به گیرنده استفاده می کند و سپس تصویر را بازسازی می کند.

دوربین زیر آب بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی

بدون نیاز به منبع تغذیه خارجی، دوربین می تواند هفته ها قبل از بازیابی آن کار کند، به این معنی که دانشمندان می توانند مناطق بسیار دورافتاده اقیانوس را جستجو کنند و حتی گونه های جدیدی را که تاکنون کشف نشده اند جستجو کنند. این دوربین همچنین می تواند اثرات آلودگی یا تغییرات آب و هوایی را جستجو کند یا حتی برای عملیات تجاری آبزی پروری مورد استفاده قرار گیرد.

کاربرد دوربین زیر آب بدون باتری و بی سیم

یکی از هیجان انگیزترین کاربردهای این دوربین برای من شخصاً در زمینه نظارت بر آب و هوا است. ما در حال ساخت مدل های اقلیمی هستیم، اما داده های بیش از 95 درصد اقیانوس را از دست داده ایم. فاضل ادیب، دانشیار دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر و مدیر گروه سینتیک سیگنال در آزمایشگاه رسانه MIT می‌گوید: این فناوری می‌تواند به ما کمک کند تا مدل‌های آب و هوایی دقیق‌تری بسازیم و بهتر درک کنیم که تغییرات آب و هوایی چگونه بر دنیای زیر آب تأثیر می‌گذارد.

این دوربین در مقاله جدیدی با عنوان «تصویربرداری بی‌سیم بدون باتری از محیط‌های زیر آب» که توسط ادیب در کنار سید سعد افضل، ولید اکبر، اسوی رودریگز، ماریو دومت، اونسو ها و رضا غفاری‌ورداواق نوشته شده است، تشریح شده است.

مهمترین ویژگی این دوربین چیست؟

یکی از مهم ترین بخش های دوربین جدید، طراحی بدون باتری آن است. محققان نیاز به ساخت دستگاهی داشتند که بتواند انرژی را در زیر آب جمع آوری کند و در عین حال انرژی کمی مصرف کند. همانطور که MIT بیان می کند، «دوربین با استفاده از مبدل های ساخته شده از مواد پیزوالکتریک که در اطراف بیرونی آن قرار گرفته اند، انرژی می گیرد. مواد پیزوالکتریک هنگامی که نیروی مکانیکی به آنها وارد می شود سیگنال الکتریکی تولید می کنند. هنگامی که یک موج صوتی که از آب عبور می کند به مبدل ها برخورد می کند، آنها مرتعش می شوند و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. امواج صوتی می تواند از منابع متعددی مانند کشتی های در حال عبور یا موجودات دریایی باشد. دوربین انرژی را جمع آوری و ذخیره می کند تا زمانی که قدرت کافی برای گرفتن عکس و انتقال داده ها را داشته باشد.

سنسورهای کم مصرف

برای مصرف کمترین توان ممکن، محققان از حسگرهای تصویربرداری با قدرت فوق العاده کم استفاده کردند. با این حال، سنسورهای کم مصرف فقط تصاویری در مقیاس خاکستری ثبت می کنند و شرایط کم نور نیاز به استفاده از فلاش دارد.

تیم هر دو مشکل را با LED های قرمز، سبز و آبی حل کرد. هنگامی که دوربین تصویری را می گیرد، یک نور LED قرمز می تابد و سپس عکس را می گیرد. سپس این فرآیند را با LED های سبز و آبی خود تکرار می کند. در حالی که تصویر سیاه و سفید به نظر می رسد، هنگامی که داده های تصویر بعدا بازسازی می شوند، می توان یک تصویر رنگی ساخت. وقتی بچه بودیم در کلاس هنر، به ما آموختند که می‌توانیم همه رنگ‌ها را با استفاده از سه رنگ اصلی بسازیم. قوانین مشابهی برای تصاویر رنگی که در رایانه خود می بینیم نیز رعایت می شود. ادیب گفت: ما فقط به قرمز، سبز و آبی – این سه کانال – برای ساختن تصاویر رنگی نیاز داریم.

برای بازیابی تصاویر رنگی با یک سنسور تک رنگ، دوربین به طور متناوب بین سه LED فعال می شود – قرمز، سبز و آبی. شکل های بالا صحنه روشن را نشان می دهند، در حالی که شکل های پایین تصاویر تک رنگ گرفته شده مربوطه را نشان می دهند که به یک گیرنده از راه دور منتقل می شوند. b شکل، خروجی تصویر رنگی سنتز شده توسط گیرنده را با استفاده از پیکسل های چند نوری نشان می دهد که با ترکیب خروجی تصویر تک رنگ برای هر یک از سه LED روشنایی فعال ساخته شده اند. c نمای جانبی نمونه اولیه دوربین یک گنبد بزرگتر را نشان می دهد که سنسور تصویر CMOS را در خود جای داده است و یک گنبد کوچکتر که حاوی LED های RGB برای روشنایی فعال است. این سازه به یک مبدل پیزوالکتریک متصل است. d شماتیک مدار نشان می دهد که چگونه روش تصویربرداری در توان صفر خالص با برداشت انرژی آکوستیک و برقراری ارتباط از طریق مدولاسیون backscatter عمل می کند. e نمودارها میزان مصرف برق را در طول زمان نشان می دهند. مصرف انرژی در طول تصویربرداری فعال به اوج خود می رسد و زمانی که تصاویر گرفته شده در حال پخش شدن هستند، کاهش می یابد.

هنگامی که تصاویر گرفته می شوند، به صورت بیت کدگذاری می شوند و با استفاده از فرآیندی به نام backscatter در زیر آب، یک بیت در یک زمان به گیرنده ارسال می شوند. گیرنده امواج صوتی را از طریق آب به دوربین منتقل می کند و سپس دوربین آنها را منعکس می کند. دوربین یا موج را منعکس می کند یا آینه خود را به گونه ای تغییر می دهد که منعکس شود. یک هیدروفون در کنار فرستنده حس می کند که آیا دوربین سیگنال ارسال کرده است یا نه. اگر سیگنالی وجود داشته باشد، یک بیت-1 است. اگر نه؟ کمی 0 است. سپس از اطلاعات باینری برای بازسازی و پس پردازش تصویر استفاده می شود. تنها یک سوئیچ وجود دارد که به طور قابل توجهی به انرژی کمتری نسبت به سیستم های ارتباطی معمولی زیر آب نیاز دارد.

این دوربین در چندین محیط زیر آب آزمایش شده است. محققان این دوربین را در چندین محیط زیر آب آزمایش کردند. در یکی، آنها تصاویر رنگی از بطری های پلاستیکی شناور در حوضچه ای در نیوهمپشایر را ثبت کردند. آنها همچنین توانستند چنان عکس های باکیفیتی از یک ستاره دریایی آفریقایی بگیرند که غده های ریز در امتداد بازوهای آن به وضوح قابل مشاهده بودند. MIT نوشت: این دستگاه همچنین در تصویربرداری مکرر از گیاه زیر آب Aponogeton ulvaceus در یک محیط تاریک در طول یک هفته برای نظارت بر رشد آن موثر بود.

بهبود برد دوربین به منظور کاربردی تر بودن

گام بعدی بهبود برد دوربین به منظور کاربردی تر بودن در تنظیمات دنیای واقعی است. در حال حاضر، داده ها با موفقیت بیش از 40 متر منتقل شده است. این تحقیق تا حدی توسط دفتر تحقیقات دریایی، انجمن تحقیقاتی اسلون، بنیاد ملی علوم، آزمایشگاه رسانه MIT، و صندلی Doherty در استفاده از اقیانوس پشتیبانی شده است. برای کسب اطلاعات بیشتر، مقاله تحقیقاتی کامل منتشر شده در Nature Communications را مشاهده کنید.