Dezember 2, 2022

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Diese Unterwasserkamera funktioniert drahtlos ohne Batterien

Diese Unterwasserkamera funktioniert drahtlos ohne Batterien
Zoomen / MIT-Ingenieure haben eine drahtlose, batterielose Unterwasserkamera gebaut, die Wissenschaftlern helfen könnte, unbekannte Gebiete des Ozeans zu erkunden, die Verschmutzung zu verfolgen oder die Auswirkungen des Klimawandels zu überwachen.

Adam Glanzmann

MIT-Ingenieure haben eine drahtlose Unterwasserkamera ohne Batterie gebaut, die in der Lage ist, selbst Strom zu sammeln und dabei nur sehr wenig Strom zu verbrauchen neues Papier Veröffentlicht in Nature Communications. Das System kann aus der Ferne Farbbilder von untergetauchten Objekten aufnehmen – sogar an dunklen Orten – und Daten drahtlos zur Echtzeitüberwachung von Unterwasserumgebungen übertragen, um bei der Entdeckung neuer seltener Arten, der Überwachung von Meeresströmungen, Verschmutzung oder kommerziellen und militärischen Operationen zu helfen .

Wir haben bereits verschiedene Möglichkeiten, unter Wasser zu fotografieren, aber laut den Autoren „wurden die meisten Meeres- und Meereslebewesen noch nicht beobachtet“. Dies liegt zum Teil daran, dass die meisten aktuellen Methoden erfordern, dass sie sowohl für die Stromversorgung als auch für die Kommunikation mit Schiffen, Unterwasserdrohnen oder Kraftwerken verbunden sind. Die Methoden, die kein Tethering verwenden, müssen Batteriestrom beinhalten, der die Lebensdauer begrenzt. Während es im Prinzip möglich ist, Energie aus Meereswellen, Unterwasserströmungen oder sogar Sonnenlicht zu gewinnen, würde das Hinzufügen der dafür erforderlichen Ausrüstung zu einer viel größeren und teureren Unterwasserkamera führen.

Also machte sich das MIT-Team daran, eine Lösung für ein batterieloses drahtloses Bildgebungsverfahren zu entwickeln. Das Designziel war es, die benötigte Hardware so weit wie möglich zu reduzieren. Da sie beispielsweise den Stromverbrauch auf ein Minimum reduzieren wollten, verwendete das MIT-Team billige, handelsübliche Bildsensoren. Der Nachteil besteht darin, dass diese Sensoren nur Graustufenbilder erzeugen. Das Team musste auch einen Blitz mit geringer Leistung entwickeln, da die meisten Unterwasserumgebungen nicht viel natürliches Licht erhalten.

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Ein Überblick über die Funktionsweise des Unterwasser-Bounce-Imaging-Systems.
Zoomen / Ein Überblick über die Funktionsweise des Unterwasser-Bounce-Imaging-Systems.

SS Afzal et al., 2022

Es stellt sich heraus, dass die Lösung für beide Herausforderungen rote, grüne und blaue LEDs beinhaltet. Die Kamera verwendet eine rote LED, um den Ort zu beleuchten, erfasst dieses Bild mit ihren Sensoren und wiederholt dann den Vorgang mit den grünen und blauen LEDs. Das Bild mag zwar schwarzweiß aussehen, sagen die Autoren, aber die drei Lichtfarben der LEDs werden im weißen Teil jedes Bildes reflektiert. So kann während der Nachbearbeitung ein Vollfarbbild rekonstruiert werden.

„Als wir Kinder im Kunstunterricht waren, wurde uns beigebracht, dass wir alle Farben mit drei Grundfarben erzeugen können.“ Co-Autor Fadel Adeeb sagte:. „Es folgt den gleichen Regeln für die Farbbilder, die wir auf unseren Computern sehen. Wir brauchen nur Rot, Grün und Blau – diese drei Kanäle – um Farbbilder zu erstellen.“

Anstelle einer Batterie verlässt sich der Sensor auf piezoakustische Rückstreuung für sehr stromsparende Kommunikation, nachdem die Bilddaten als Bits codiert wurden. Dieses Verfahren muss kein eigenes Audiosignal erzeugen (wie beispielsweise bei Sonar), sondern beruht stattdessen auf der Modulation der Reflexionen von Unterwassergeräuschen, um Daten Bit für Bit zu übertragen. Diese Daten werden von einem entfernten Empfänger erfasst, der in der Lage ist, die modifizierten Muster abzurufen, und dann werden die binären Informationen verwendet, um das Bild zu rekonstruieren. Die Autoren schätzen, dass ihre Unterwasserkamera etwa 100.000 Mal energieeffizienter ist als ihre Gegenstücke und wochenlang laufen kann.

Natürlich baute das Team einen Proof-of-Concept-Prototyp und führte einige Tests durch, um zu beweisen, dass ihre Methode funktionierte. Beispielsweise fotografierten sie die Verschmutzung (in Form von Plastikflaschen) am Keyser Pond im Südosten von New Hampshire sowie den afrikanischen Seestern (Protorster Linkley) in einer „kontrollierten Umgebung mit Außenbeleuchtung“. Die Auflösung des letzten Bildes war gut genug, um die verschiedenen Tuberkel entlang der fünf Arme des Seesterns einzufangen.

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Beispielbilder, die mit Unterwasser-Rückstreubildgebung erhalten wurden.
Zoomen / Beispielbilder, die mit Unterwasser-Rückstreubildgebung erhalten wurden.

SS. Best et al., 2022

Mit der drahtlosen Unterwasserkamera konnte das Team auch das Wachstum einer Wasserpflanze überwachen (Aponogeton ulvaceus) über mehrere Tage, Erkennung und Lokalisierung von visuellen Tags, die häufig für die Unterwasserverfolgung und automatisierte Verarbeitung verwendet werden. Bis zu einer Entfernung von etwa 3,5 Metern erreichte die Kamera hohe Erkennungsraten und eine hohe Lokalisierungsgenauigkeit; Die Autoren schlagen vor, dass mit höher auflösenden Sensoren größere Erfassungsreichweiten erreicht werden können. Laut Tests, die am Charles River im Osten von Massachusetts durchgeführt wurden, ist die Entfernung auch ein Faktor für die Energiegewinnungs- und Kommunikationsfähigkeiten der Kamera. Wie erwartet nehmen diese beiden lebenswichtigen Fähigkeiten mit zunehmender Entfernung ab, obwohl die Kamera es geschafft hat, Daten bis zu 40 Meter (131 Fuß) vom Empfänger entfernt zu übertragen.

Zusammenfassend schreiben die Autoren: „Die uneingeschränkte, kostengünstige und vollständig integrierte Natur unserer Methode macht sie zu einem wünschenswerten Ansatz für massive Ozeanausbreitungen.“ Die Skalierung ihres Ansatzes erfordert fortschrittlichere und effizientere Wandler sowie Unterwasser-Akustikübertragungen mit höherer Leistung. Es ist auch möglich, die vorhandenen Maschennetzwerke von Bojen an der Meeresoberfläche oder Netzwerke von Unterwasserrobotern wie Argo-Bojen zu nutzen, um energiesammelnde Kameras ferngesteuert zu betreiben.

„Eine der spannendsten Anwendungen dieser Kamera für mich persönlich ist die Klimaüberwachung“, sagte Adeeb. „Wir bauen Klimamodelle, aber uns fehlen Daten von mehr als 95 Prozent des Ozeans. Diese Technologie kann uns helfen, genauere Klimamodelle zu erstellen und besser zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Unterwasserwelt auswirkt.“

DOI: Naturkommunikation, 2022. 10.1038/s41467-022-33223-x (Über DOIs).

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