Theo giấy mới Được xuất bản trên Nature Communications. Hệ thống có thể chụp từ xa hình ảnh màu của các vật thể chìm dưới nước – ngay cả ở những nơi tối – và truyền dữ liệu không dây để theo dõi môi trường dưới nước theo thời gian thực, hỗ trợ phát hiện các loài quý hiếm mới, giám sát dòng chảy đại dương, ô nhiễm hoặc các hoạt động thương mại và quân sự .

Chúng ta đã có nhiều cách khác nhau để chụp ảnh dưới nước, nhưng theo các tác giả, “hầu hết các sinh vật biển và đại dương vẫn chưa được quan sát.” Điều này một phần là do hầu hết các phương pháp hiện tại đều yêu cầu chúng phải được kết nối với tàu, máy bay không người lái dưới nước hoặc nhà máy điện để cung cấp cả năng lượng và thông tin liên lạc. Những phương pháp không sử dụng tính năng chia sẻ kết nối phải bao gồm nguồn pin, điều này sẽ giới hạn tuổi thọ của nó. Mặc dù về nguyên tắc, có thể thu năng lượng từ sóng biển, dòng chảy dưới nước hoặc thậm chí là ánh sáng mặt trời, nhưng việc bổ sung các thiết bị cần thiết để làm như vậy sẽ tạo ra một chiếc máy ảnh dưới nước lớn hơn và đắt hơn nhiều.

Vì vậy, nhóm MIT bắt đầu phát triển một giải pháp cho phương pháp chụp ảnh không dây không dùng pin. Mục tiêu thiết kế là giảm phần cứng cần thiết càng nhiều càng tốt. Ví dụ, vì họ muốn giữ mức tiêu thụ điện năng ở mức tối thiểu, nhóm MIT đã sử dụng các cảm biến hình ảnh giá rẻ. Sự đánh đổi là các cảm biến này chỉ tạo ra hình ảnh thang độ xám. Nhóm nghiên cứu cũng cần phát triển đèn flash công suất thấp, vì hầu hết các môi trường dưới nước không nhận được nhiều ánh sáng tự nhiên.

Nó chỉ ra rằng giải pháp cho cả hai thách thức liên quan đến đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Máy ảnh sử dụng đèn LED màu đỏ để chiếu sáng vị trí và chụp ảnh đó bằng các cảm biến của nó, sau đó lặp lại quá trình với đèn LED màu xanh lá cây và xanh lam. Các tác giả nói rằng hình ảnh có thể trông đen và trắng, nhưng ba màu ánh sáng từ đèn LED được phản chiếu trong phần màu trắng của mỗi hình ảnh. Vì vậy, một hình ảnh đầy đủ màu sắc có thể được tái tạo trong quá trình xử lý hậu kỳ.

“Khi chúng tôi còn là những đứa trẻ trong lớp học nghệ thuật, chúng tôi được dạy rằng chúng tôi có thể tạo ra tất cả các màu bằng cách sử dụng ba màu cơ bản” Đồng tác giả Fadel Adeeb cho biết:. “Nó tuân theo các quy tắc tương tự đối với hình ảnh màu mà chúng ta nhìn thấy trên máy tính của mình. Chúng tôi chỉ cần màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam – ba kênh này – để tạo ra hình ảnh màu.”

Thay vì pin, cảm biến dựa vào tán xạ ngược âm thanh piezo để truyền thông năng lượng rất thấp sau khi dữ liệu hình ảnh được mã hóa dưới dạng bit. Phương pháp này không cần tạo ra tín hiệu âm thanh của riêng nó (ví dụ như với sonar), và thay vào đó dựa vào việc điều chỉnh phản xạ của âm thanh dưới nước để truyền dữ liệu từng bit một. Dữ liệu này được thu bởi một bộ thu từ xa có khả năng truy xuất các mẫu đã sửa đổi, và sau đó thông tin nhị phân được sử dụng để tái tạo lại hình ảnh. Các tác giả ước tính rằng máy ảnh dưới nước của họ tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 100.000 lần so với các máy ảnh khác và có thể chạy trong nhiều tuần liên tục.

Đương nhiên, nhóm đã xây dựng một nguyên mẫu bằng chứng về khái niệm và chạy một số thử nghiệm để chứng minh phương pháp của họ hoạt động. Ví dụ, họ chụp ảnh ô nhiễm (dưới dạng chai nhựa) tại Keyser Pond ở đông nam New Hampshire, cũng như chụp ảnh sao biển châu Phi (Người bảo vệ Linkley) trong một “môi trường được kiểm soát với ánh sáng ngoài trời”. Độ phân giải của hình ảnh cuối cùng đủ tốt để chụp các nốt sần khác nhau dọc theo năm cánh tay của sao biển.

Nhóm nghiên cứu cũng có thể sử dụng camera không dây dưới nước để theo dõi sự phát triển của thực vật thủy sinh (Aponogeton ulvaceus) trong vài ngày, phát hiện và định vị các thẻ trực quan thường được sử dụng để theo dõi dưới nước và xử lý tự động. Máy ảnh đạt được tỷ lệ phát hiện cao và độ chính xác nội địa hóa cao lên đến khoảng cách khoảng 3,5 mét (khoảng 11 feet rưỡi); Các tác giả cho rằng có thể đạt được phạm vi phát hiện dài hơn với các cảm biến có độ phân giải cao hơn. Khoảng cách cũng là một yếu tố trong khả năng thu năng lượng và giao tiếp của máy ảnh, theo các thử nghiệm được thực hiện tại sông Charles ở phía đông Massachusetts. Như mong đợi, hai khả năng quan trọng này giảm dần theo khoảng cách, mặc dù máy ảnh đã quản lý để truyền dữ liệu lên đến 40 mét (131 feet) từ bộ thu.

Tóm lại, các tác giả viết: “Tính chất không hạn chế, không tốn kém và tích hợp đầy đủ của phương pháp của chúng tôi khiến nó trở thành một cách tiếp cận mong muốn đối với sự phân tán khối lượng lớn dưới đáy đại dương.” Mở rộng quy mô phương pháp tiếp cận của họ yêu cầu các bộ chuyển đổi tiên tiến và hiệu quả hơn, cũng như truyền âm thanh dưới nước công suất cao hơn. Cũng có thể người ta có thể tận dụng mạng lưới lưới phao nổi trên mặt đại dương hiện có, hoặc mạng lưới rô bốt dưới nước như phao Argo, để vận hành máy ảnh thu năng lượng từ xa.

“Một trong những ứng dụng thú vị nhất của máy ảnh này đối với cá nhân tôi là trong bối cảnh giám sát khí hậu,” Adeeb nói. “Chúng tôi đang xây dựng các mô hình khí hậu, nhưng chúng tôi đang thiếu dữ liệu từ hơn 95% đại dương. Công nghệ này có thể giúp chúng tôi xây dựng các mô hình khí hậu chính xác hơn và hiểu rõ hơn về cách biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng đến thế giới dưới nước.”

DOI: Nature Communications, 2022. 10.1038 / s41467-022-33223-x (Về DOIs).