Los científicos estiman que más del 95 por ciento de los océanos de la Tierra nunca se han observado, lo que significa que hemos visto menos océanos de nuestro planeta que en el lado oculto de la Luna o la superficie de Marte.
El alto costo de operar una cámara submarina durante un período prolongado, al conectarla a un barco de investigación o enviar un barco para recargar sus baterías, es un desafío grave que impide la exploración submarina a gran escala.
Los investigadores del MIT han dado un gran paso para superar este problema al desarrollar una cámara submarina inalámbrica y sin batería que ahorra energía unas 100.000 veces más que otras cámaras submarinas. El dispositivo captura imágenes en color, incluso en entornos submarinos oscuros, y transmite datos de imágenes de forma inalámbrica a través del agua.
La cámara independiente funciona con sonido. Convierte la energía mecánica de las ondas de sonido que viajan a través del agua en energía eléctrica que alimenta su equipo de imágenes y comunicaciones. Después de capturar y codificar los datos de la imagen, la cámara también usa ondas de sonido para transmitir los datos a un receptor que reconstruye la imagen.
Debido a que no requiere una fuente de energía, la cámara puede funcionar durante semanas antes de que pueda recuperarse, lo que permite a los científicos buscar nuevas especies en partes remotas del océano. También se puede usar para tomar fotografías de la contaminación del océano o monitorear la salud y el crecimiento de los peces criados en granjas acuícolas.
«Personalmente, una de las aplicaciones más interesantes de esta cámara es en el contexto de la vigilancia del clima. Estamos construyendo modelos climáticos, pero nos faltan datos de más del 95 % del océano. Esta tecnología puede ayudarnos a construir modelos climáticos más precisos». modelos y comprender cómo el cambio climático está afectando al mundo». Mejor bajo el agua», dice Fadel Adib, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y director del Signal Kinetics Group en MIT Media Lab, y autor principal de la investigación.
Junto a Adeeb en el artículo están los coautores y asistentes de investigación del Signal Kinetics Group, Syed Saad Afzal, Walid Akbar y Osfi Rodriguez, así como el científico investigador Ansu Ha y los ex investigadores del grupo Mario Domit y Reza Gaffarivardavag. El artículo fue publicado en Conexiones con la naturaleza.
Ir sin batería
Para construir una cámara que pudiera funcionar de forma independiente durante largos períodos, los investigadores necesitaban un dispositivo que pudiera recolectar energía bajo el agua por sí solo y consumiendo muy poca energía.
La cámara gana energía mediante el uso de transductores hechos de materiales piezoeléctricos colocados alrededor de la parte exterior de la misma. Los materiales piezoeléctricos producen una señal eléctrica cuando se les aplica una fuerza mecánica. Cuando una onda de sonido que viaja a través del agua golpea los transductores, estos vibran y convierten esa energía mecánica en energía eléctrica.
Estas ondas de sonido pueden provenir de cualquier fuente, como un barco que pasa o vida marina. La cámara almacena la energía recolectada hasta que se acumula lo suficiente para alimentar los componentes electrónicos que toman fotografías y comunican datos.
Para mantener el consumo de energía lo más bajo posible, los investigadores utilizaron sensores de imágenes estándar de muy baja potencia. Pero estos sensores solo capturan imágenes en escala de grises. Dado que la mayoría de los entornos submarinos carecían de una fuente de luz, también necesitaban desarrollar un flash de baja potencia.
«Estábamos tratando de reducir el hardware tanto como fuera posible, y eso crea nuevas restricciones sobre cómo se construye el sistema, envía información y realiza la reconstrucción de imágenes. Se necesitó mucha creatividad para descubrir cómo hacerlo», dice Adib. .
Resolvieron ambos problemas simultáneamente con LED rojos, verdes y azules. Cuando la cámara toma una foto, enciende un LED rojo y luego usa los sensores de imagen para tomar la foto. Repite el mismo proceso con los LEDs verde y azul.
Akbar explica que aunque la imagen parece ser en blanco y negro, la luz de color rojo, verde y azul se refleja en la parte blanca de cada imagen. Cuando los datos de la imagen se combinan en el procesamiento posterior, la imagen en color se puede reconstruir.
«Cuando éramos niños en la clase de arte, nos enseñaron que podemos hacer todos los colores usando tres colores primarios. Siguen las mismas reglas para las imágenes en color que vemos en nuestras computadoras. Solo necesitamos rojo, verde y azul, esos tres canales—para hacer imágenes en color”.
Enviar datos por voz
Una vez que se capturan los datos de la imagen, se codifican como bits (1 y 0 segundos) y se envían a un receptor un bit a la vez mediante un proceso llamado retrodispersión subacuática. El receptor transmite ondas de sonido a través del agua a una cámara, que actúa como un espejo para reflejar esas ondas. La cámara refleja una onda hacia el receptor o cambia su espejo a un absorbente para que no se refleje.
Un micrófono junto al transmisor detecta si la cámara refleja una señal. Si se recibe una señal, este es el bit -1, y si no hay señal, entonces es el bit 0. El sistema utiliza esta información binaria para reconstruir y procesar la imagen.
«Todo este proceso, dado que solo requiere un interruptor para convertir el dispositivo de un estado no reflectante a un estado reflectante, consume cinco órdenes de magnitud menos de energía que los sistemas de comunicación submarinos típicos», dice Afzal.
Los investigadores probaron la cámara en varios entornos submarinos. En uno, tomaron fotografías en color de botellas de plástico flotando en un estanque de New Hampshire. También pudieron tomar fotos de alta calidad de una estrella de mar africana para que los pequeños tubérculos a lo largo de sus brazos fueran claramente visibles. El dispositivo también fue efectivo para fotografiar plantas submarinas repetidamente. Aponogeton ulvaceus En un ambiente oscuro durante una semana para monitorear su crecimiento.
Ahora que han demostrado un prototipo funcional, los investigadores planean mejorar el dispositivo para que sea práctico para su implementación en entornos del mundo real. Quieren aumentar la memoria de la cámara para que pueda tomar fotos en tiempo real, transmitir fotos o incluso grabar un video bajo el agua.
También quieren ampliar el alcance de la cámara. Lograron transmitir datos a una distancia de hasta 40 metros del receptor, pero ampliar ese rango permitirá que la cámara se use en más entornos submarinos.
Esta investigación cuenta con el apoyo parcial de la Oficina de Investigación Naval, la Beca de Investigación Sloan, la Fundación Nacional de Ciencias, el Laboratorio de Medios del MIT y la Cátedra Doherty en Uso del Océano.
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