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Batterielose drahtlose Kamera könnte die Unterwasserforschung erleichtern

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Das Gerät könnte Wissenschaftlern helfen, unbekannte Meeresregionen zu erforschen, Verschmutzungen aufzuspüren oder die Auswirkungen des Klimawandels zu überwachen.

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Eines der Hindernisse bei der Erforschung der Unterwasserwelt sind die hohen Kosten für die Stromversorgung von Kameras, die entweder an ein Forschungsschiff gebunden werden müssen oder ein Schiff zum Aufladen der Batterien benötigen. Um dieses Problem zu lösen, haben Forscher des MIT eine batterielose, kabellose Unterwasserkamera entwickelt, die Berichten zufolge weitaus energieeffizienter ist als andere Unterwasserkameras.

Die autonome Kamera ist so konzipiert, dass sie selbst in dunklen Unterwasserumgebungen Farbfotos aufnehmen kann und die Bilddaten drahtlos durch das Wasser überträgt. Die Kamera wandelt die mechanische Energie von Schallwellen, die sich durch das Wasser bewegen, in elektrische Energie um, die wiederum die Bildgebungs- und Kommunikationsausrüstung versorgt. Außerdem nutzt die Kamera Schallwellen, um die aufgenommenen Bilddaten an einen Empfänger zu übertragen, der das Bild rekonstruiert

Da die Kamera keine Stromquelle benötigt, kann sie wochenlang in Betrieb sein, bevor sie geborgen wird. Dies würde es Wissenschaftlern ermöglichen, in abgelegenen Regionen Erkundungen unter Wasser durchzuführen und Umweltwissenschaftlern helfen, Bilder von der Meeresverschmutzung aufzunehmen oder die Gesundheit und das Wachstum von Fischen in Aquakulturfarmen zu überwachen.

"Eine der aufregendsten Anwendungen dieser Kamera ist für mich persönlich die Klimaüberwachung", sagt Fadel Adib, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik und Direktor der Gruppe für Signalkinetik im MIT Media Lab und Hauptautor einer neuen Veröffentlichung über das System. "Wir erstellen Klimamodelle, aber uns fehlen die Daten von über 95 Prozent des Ozeans. Diese Technologie könnte uns helfen, genauere Klimamodelle zu erstellen und besser zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf die Unterwasserwelt auswirkt."

Neben Adib arbeiten die Co-Autoren und Forschungsassistenten der Signal-Kinetik-Gruppe Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar und Osvy Rodriguez sowie die Wissenschaftlerin Unsoo Ha und die ehemaligen Forscher der Gruppe, Mario Doumet und Reza Ghaffarivardavagh, an dem Papier mit.

Energieernte

Beim Bau der Kamera stützten sich die Wissenschaftler auf das Prinzip des Energy Harvesting. Die Kamera gewinnt Energie mit Hilfe von Wandlern aus piezoelektrischen Materialien, die außen an der Kamera angebracht sind. Wenn eine Schallwelle, die sich durch das Wasser bewegt, auf die piezoelektrischen Wandler trifft, vibrieren diese und wandeln die mechanische Energie in elektrische Energie um.

Diese Schallwellen können von jeder beliebigen Quelle stammen. Die Kamera speichert die gewonnene Energie so lange, bis sie ausreicht, um die Elektronik zu betreiben, die Fotos aufnimmt und Daten übermittelt.

Für die Kamerafunktionen setzten die Wissenschaftler handelsübliche Bildsensoren mit extrem niedrigem Stromverbrauch ein. Um jedoch die notwendige Beleuchtung in dunklen Unterwasserumgebungen zu erreichen und gleichzeitig ein Farbbild zu erzeugen, verwendeten die Wissenschaftler rote, grüne und blaue (RGB) LEDs, um das aufgenommene Graustufenbild zu beleuchten. Das rote, grüne und blaue Licht wird im weißen Teil jedes Fotos reflektiert, und die Bilddaten werden in der Nachbearbeitung kombiniert, um das Farbbild zu rekonstruieren.

Schallübertragung unter Wasser

Mithilfe eines Verfahrens, das als Unterwasser-Rückstreuung bezeichnet wird, sendet die Kamera die digitalen Bilddaten an einen Empfänger. Der Empfänger sendet Schallwellen durch das Wasser an die Kamera, die wie ein Spiegel wirkt und diese Wellen reflektiert. Die Kamera reflektiert entweder eine Welle zurück zum Empfänger oder verwandelt ihren Spiegel in einen Absorber, so dass die Welle nicht zurückgeworfen wird.

Ein Hydrophon neben dem Sender erkennt, ob ein Signal von der Kamera zurückgeworfen wird. Das System verwendet binäre Informationen, um das Bild zu rekonstruieren und nachzubearbeiten.

"Da nur ein einziger Schalter erforderlich ist, um das Gerät von einem nicht reflektierenden in einen reflektierenden Zustand zu versetzen, verbraucht dieser gesamte Prozess fünf Größenordnungen weniger Energie als typische Unterwasserkommunikationssysteme", so Sayed Saad Afzal, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Signal Kinetics.

Nachdem die Forscher einen funktionierenden Prototyp gebaut und in verschiedenen Unterwasserumgebungen getestet haben, planen sie, das Gerät für den Einsatz in der realen Welt zu verbessern. Sie wollen den Speicher der Kamera erweitern, damit sie Fotos in Echtzeit aufnehmen, Bilder streamen oder sogar Unterwasservideos drehen kann. Außerdem wollen die Wissenschaftler die Reichweite der Kamera über die in den Versuchen verwendeten 40 Meter vom Empfänger hinaus erweitern, so dass die Kamera in mehr Unterwasserumgebungen eingesetzt werden kann.