Diese Unterwasserkamera funktioniert drahtlos ohne Batterien

Vergrößern / MIT-Ingenieure haben eine drahtlose, batterielose Unterwasserkamera gebaut Kamera, die Wissenschaftlern helfen könnte, unbekannte Regionen des Ozeans zu erkunden, die Verschmutzung zu verfolgen oder die Auswirkungen des Klimawandels zu überwachen. Adam Glanzmann

MIT-Ingenieure haben eine drahtlose, batterielose Unterwasserkamera gebaut, die selbst Energie gewinnen kann, während sie sehr wenig Energie verbraucht, laut einem neuen Artikel in der Zeitschrift Nature Communications. Das System kann Farbfotos von entfernten untergetauchten Objekten aufnehmen, selbst in dunklen Umgebungen, und die Daten drahtlos übertragen, um die Unterwasserumgebung in Echtzeit zu überwachen, die Entdeckung neuer seltener Arten zu unterstützen oder Meeresströmungen, Verschmutzung oder kommerzielle und militärische Operationen zu überwachen .

Wir haben bereits eine Vielzahl von Methoden zum Aufnehmen von Unterwasserbildern, aber laut den Autoren „müssen die meisten Ozean- und Meeresorganismen noch beobachtet werden“. Dies liegt zum Teil daran, dass die meisten bestehenden Methoden eine Anbindung an Schiffe, Unterwasserdrohnen oder Kraftwerke für Energie und Kommunikation erfordern. Methoden, die keine Verbindung verwenden, müssen Batteriestrom enthalten, was ihre Lebensdauer begrenzt. Während es im Prinzip möglich ist, Energie aus Meereswellen, Unterwasserströmungen oder sogar Sonnenlicht zu gewinnen, würde das Hinzufügen der dafür erforderlichen Ausrüstung dazu führen, dass eine Unterwasserkamera viel sperriger und teurer wird.

Das MIT-Team machte sich daher daran, eine Lösung für ein drahtloses und batterieloses Bildgebungsverfahren zu entwickeln. Das Designziel war es, die benötigte Hardware so weit wie möglich zu minimieren. Da beispielsweise der Stromverbrauch möglichst gering gehalten werden sollte, verwendete das MIT-Team kostengünstige handelsübliche Bildsensoren. Der Nachteil besteht darin, dass diese Sensoren nur Graustufenbilder erzeugen. Das Team musste außerdem einen Blitz mit geringer Leistung entwickeln, da die meisten Unterwasserumgebungen nicht viel natürliches Licht erhalten.

Vergrößern / Übersicht über die Funktionsweise des Unterwasser-Backscatter-Imaging-Systems. SS Afzal et al., 2022

Als Lösung für beide Herausforderungen erwies sich die Integration von roten, grünen und blauen LEDs. Die Kamera verwendet die rote LED für die In-situ-Beleuchtung und erfasst dieses Bild mit ihren Sensoren und wiederholt dann den Vorgang mit den grünen und blauen LEDs. Das Bild mag laut den Autoren schwarzweiß erscheinen, aber alle drei Lichtfarben der LEDs werden im weißen Teil jedes Bildes reflektiert. Somit kann während der Nachbearbeitung ein Farbbild rekonstruiert werden.

„Als wir Kinder im Kunstunterricht waren, wurde uns beigebracht, dass wir jede Farbe mit drei Grundfarben erstellen könnten“, sagt Co-Autor Fadel Adib. "Die gleichen Regeln gelten für 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 eine extrem stromsparende Kommunikation, nachdem Bilddaten in Bits kodiert wurden. Dieses Verfahren muss kein eigenes akustisches Signal erzeugen (wie beispielsweise Sonar), sondern verlässt sich stattdessen auf die Modulation der Reflexionen einfallender Unterwassergeräusche, um die Daten bitweise zu übertragen. Diese Daten werden von einem entfernten Empfänger aufgenommen, der in der Lage ist, die modulierten Muster wiederherzustellen, und die binären Informationen werden dann verwendet, um das Bild zu rekonstruieren. Die Autoren schätzen, dass ihre Unterwasserkamera etwa 100.000 Mal energieeffizienter ist als ihre Gegenstücke und wochenlang laufen könnte.

Natürlich baute das Team einen Proof-of-Concept-Prototypen und führte Tests durch, um zu zeigen, dass ihre Methode funktionierte. Zum Beispiel stellten sie sich Verschmutzung vor (in Form von...