Sviluppata una fotocamera subacquea wireless senza batteria che è circa 100.000 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altre fotocamere subacquee
Gli scienziati stimano che più del 95 per cento degli oceani della Terra non sia mai stato osservato, il che significa che abbiamo visto meno dell'oceano del nostro pianeta di quanto abbiamo visto il lato più lontano della luna o la superficie di Marte. L'alto costo di alimentare a lungo una fotocamera subacquea, collegandola a una nave da ricerca o inviando una nave a ricaricare le batterie, è una sfida impegnativa che impedisce l'esplorazione sottomarina diffusa.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno compiuto un passo importante per superare questo problema sviluppando una fotocamera subacquea wireless senza batteria che è circa 100.000 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altre fotocamere subacquee. Il dispositivo scatta foto a colori, anche in ambienti bui sott'acqua, e trasmette i dati delle immagini in modalità wireless attraverso l'acqua.
La fotocamera autonoma è alimentata dal suono. Converte l'energia meccanica dalle onde sonore che viaggiano attraverso l'acqua in energia elettrica che alimenta le sue apparecchiature di imaging e comunicazione. Dopo aver acquisito e codificato i dati dell'immagine, la fotocamera utilizza anche le onde sonore per trasmettere i dati a un ricevitore che ricostruisce l'immagine.
Poiché non necessita di una fonte di alimentazione, la telecamera potrebbe funzionare per settimane prima del recupero, consentendo agli scienziati di cercare nuove specie in parti remote dell'oceano. Potrebbe anche essere utilizzata per acquisire immagini dell'inquinamento oceanico o monitorare la salute e la crescita dei pesci allevati negli allevamenti di acquacoltura.
«Una delle applicazioni più interessanti di questa fotocamera per me personalmente è nel contesto del monitoraggio del clima. Stiamo costruendo modelli climatici, ma ci mancano dati da oltre il 95 percento dell'oceano. Questa tecnologia potrebbe aiutarci a costruire modelli climatici più accurati e comprendere meglio come il cambiamento climatico influisca sul mondo sottomarino», afferma il dottor Fadel Adib (1), professore associato presso il Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica e direttore del gruppo Signal Kinetics nel MIT Media Lab, e autore senior del documento.
Insieme ad Adib nel documento ci sono gli autori principali e gli assistenti di ricerca del gruppo Signal Kinetics: il dottor Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar e Osvy Rodriguez, così come il ricercatore Unsoo Ha e gli ex ricercatori del gruppo Mario Doumet e Reza Ghaffarivardavagh. L'articolo è pubblicato su Nature Communications. (2)
Andare senza batteria
Per costruire una fotocamera che potesse funzionare autonomamente per lunghi periodi, i ricercatori avevano bisogno di un dispositivo in grado di raccogliere energia sott'acqua da solo consumando pochissima energia.
La fotocamera acquisisce energia utilizzando trasduttori realizzati con materiali piezoelettrici posizionati attorno al suo esterno. I materiali piezoelettrici producono un segnale elettrico quando viene applicata una forza meccanica. Quando un'onda sonora che viaggia attraverso l'acqua colpisce i trasduttori, questi vibrano e convertono quell'energia meccanica in energia elettrica.
Quelle onde sonore potrebbero provenire da qualsiasi fonte, come una nave di passaggio o la vita marina. La fotocamera immagazzina l'energia raccolta fino a quando non ha accumulato abbastanza energia per alimentare l'elettronica che scatta foto e comunica i dati.
Per mantenere il consumo energetico il più basso possibile, i ricercatori hanno utilizzato sensori di imaging a bassissima potenza standard. Ma questi sensori catturano solo immagini in scala di grigi. E poiché la maggior parte degli ambienti subacquei non dispone di una fonte di luce, è stato necessario sviluppare anche un flash a bassa potenza.
«Stavamo cercando di ridurre al minimo l'hardware il più possibile e questo crea nuovi vincoli su come costruire il sistema, inviare informazioni ed eseguire la ricostruzione delle immagini. Ci è voluta una buona dose di creatività per capire come farlo», afferma Fadel Adib.
Hanno risolto entrambi i problemi contemporaneamente utilizzando LED rossi, verdi e blu. Quando la fotocamera acquisisce un'immagine, si accende un LED rosso e quindi utilizza i sensori di immagine per scattare la foto. Ripete lo stesso processo con LED verdi e blu.
Anche se l'immagine appare in bianco e nero, la luce colorata rossa, verde e blu si riflette nella parte bianca di ogni foto, spiega Akbar. Quando i dati dell'immagine vengono combinati in post-elaborazione, è possibile ricostruire l'immagine a colori.
«Quando eravamo bambini a lezione di arte, ci veniva insegnato che potevamo creare tutti i colori usando tre colori di base. Le stesse regole seguono per le immagini a colori che vediamo sui nostri computer. Abbiamo solo bisogno di rosso, verde e blu - questi tre canali - per costruire immagini a colori», afferma.
Invio di dati con suono
Una volta acquisiti i dati dell'immagine, vengono codificati come bit (1s e 0s) e inviati a un ricevitore un bit alla volta utilizzando un processo chiamato retrodiffusione subacquea. Il ricevitore trasmette le onde sonore attraverso l'acqua alla telecamera, che funge da specchio per riflettere quelle onde. La fotocamera riflette un'onda indietro al ricevitore o cambia il suo specchio in un assorbitore in modo che non rifletta indietro.
Un idrofono accanto al trasmettitore rileva se un segnale viene riflesso dalla telecamera. Se riceve un segnale, è un bit-1, e se non c'è segnale, è un bit-0. Il sistema utilizza queste informazioni binarie per ricostruire e post-elaborare l'immagine.
«L'intero processo, poiché richiede un solo interruttore per convertire il dispositivo da uno stato non riflettente a uno stato riflettente, consuma cinque ordini di grandezza in meno rispetto ai tipici sistemi di comunicazione subacquei», afferma Sayed Saad Afzal. (3)
I ricercatori hanno testato la fotocamera in diversi ambienti subacquei. In uno, hanno catturato immagini a colori di bottiglie di plastica che galleggiano in uno stagno del New Hampshire. Sono stati anche in grado di scattare foto di così alta qualità di una stella marina africana che i minuscoli tubercoli lungo le sue braccia erano chiaramente visibili. Il dispositivo è stato anche efficace nell'imaging ripetuto della pianta subacquea Aponogeton ulvaceus in un ambiente buio nel corso di una settimana per monitorarne la crescita.
Ora che hanno dimostrato un prototipo funzionante, i ricercatori hanno in programma di migliorare il dispositivo in modo che sia pratico per l'implementazione in contesti del mondo reale. Vogliono aumentare la memoria della fotocamera in modo che possa catturare foto in tempo reale, trasmettere immagini in streaming o persino girare video subacquei.
Vogliono anche estendere la portata della fotocamera. Hanno trasmesso con successo i dati a 40 metri dal ricevitore, ma spingendo quella gamma più ampia consentirebbe di utilizzare la fotocamera in più impostazioni subacquee.
Questa ricerca è supportata, in parte, dall'Office of Naval Research, dalla Sloan Research Fellowship, dalla National Science Foundation, dal MIT Media Lab e dalla Doherty Chair in Ocean Utilization.
Riferimenti:
(1) Fadel Adib
(2) Battery-free wireless imaging of underwater environments
(3) Sayed Saad Afzal
Descrizione foto: La fotocamera subacquea wireless senza batteria potrebbe aiutare gli scienziati a esplorare regioni sconosciute dell'oceano, monitorare l'inquinamento o monitorare gli effetti del cambiamento climatico. - Credit: Adam Glanzman.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: MIT engineers build a battery-free, wireless underwater camera