تعمل هذه الكاميرا تحت الماء لاسلكيًا بدون بطاريات

قام مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ببناء كاميرا لاسلكية تعمل تحت الماء بدون بطارية ، قادرة على تجميع الطاقة بنفسها مع استهلاك القليل جدًا من الطاقة ، وفقًا لـ ورقة جديدة نُشر في مجلة Nature Communications. يمكن للنظام التقاط صور ملونة للأجسام المغمورة عن بعد – حتى في الأماكن المظلمة – ونقل البيانات لاسلكيًا للمراقبة في الوقت الحقيقي للبيئات تحت الماء ، والمساعدة في اكتشاف الأنواع النادرة الجديدة أو مراقبة التيارات البحرية أو التلوث أو العمليات التجارية والعسكرية.

لدينا بالفعل طرق مختلفة لالتقاط الصور تحت الماء ، ولكن وفقًا للمؤلفين ، “لم تتم ملاحظة معظم الكائنات البحرية والمحيطات بعد.” ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن معظم الأساليب الحالية تتطلب ربطها بالسفن أو الطائرات بدون طيار تحت الماء أو محطات توليد الطاقة لكل من الطاقة والاتصالات. يجب أن تتضمن تلك الطرق التي لا تستخدم الربط طاقة البطارية ، مما يحد من عمرها. في حين أنه من الممكن من حيث المبدأ تجميع الطاقة من أمواج المحيط أو التيارات تحت الماء أو حتى ضوء الشمس ، فإن إضافة المعدات اللازمة للقيام بذلك سيؤدي إلى كاميرا تحت الماء أكبر بكثير وأكثر تكلفة.

لذلك شرع فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تطوير حل لطريقة تصوير لاسلكي خالية من البطاريات. كان هدف التصميم هو تقليل الأجهزة المطلوبة قدر الإمكان. نظرًا لأنهم أرادوا الحفاظ على استهلاك الطاقة عند الحد الأدنى ، على سبيل المثال ، استخدم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أجهزة استشعار رخيصة للتصوير الجاهزة. والمفاضلة هي أن هذه المستشعرات تنتج فقط صورًا بتدرج الرمادي. احتاج الفريق أيضًا إلى تطوير فلاش منخفض الطاقة أيضًا ، نظرًا لأن معظم البيئات تحت الماء لا تحصل على الكثير من الضوء الطبيعي.

اتضح أن الحل لكلا التحديين يتضمن مصابيح LED حمراء وخضراء وزرقاء. تستخدم الكاميرا مؤشر LED الأحمر للإضاءة في الموقع وتلتقط تلك الصورة بأجهزة الاستشعار الخاصة بها ، ثم تكرر العملية باستخدام مصابيح LED الخضراء والزرقاء. قد تبدو الصورة بالأبيض والأسود ، حسب المؤلفين ، لكن الألوان الثلاثة للضوء من مصابيح LED تنعكس في الجزء الأبيض من كل صورة. لذلك يمكن إعادة بناء صورة كاملة الألوان أثناء المعالجة اللاحقة.

“عندما كنا أطفالًا في فصل الفنون ، تعلمنا أنه يمكننا صنع جميع الألوان باستخدام ثلاثة ألوان أساسية ،” قال المؤلف المشارك فاضل أديب. “تتبع نفس القواعد للصور الملونة التي نراها على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا. نحتاج فقط إلى الأحمر والأخضر والأزرق – هذه القنوات الثلاث – لإنشاء صور ملونة.”

بدلاً من البطارية ، يعتمد المستشعر على التشتت الخلفي الصوتي بيزو لاتصالات منخفضة الطاقة للغاية بعد تشفير بيانات الصورة على هيئة بتات. لا تحتاج هذه الطريقة إلى توليد الإشارة الصوتية الخاصة بها (كما هو الحال مع السونار ، على سبيل المثال) ، وتعتمد بدلاً من ذلك على تعديل انعكاسات الأصوات الواقعة تحت الماء لنقل البيانات بتة واحدة في كل مرة. يتم التقاط هذه البيانات بواسطة جهاز استقبال بعيد قادر على استعادة الأنماط المعدلة ، ثم يتم استخدام المعلومات الثنائية لإعادة بناء الصورة. يقدر المؤلفون أن كاميرتهم تحت الماء أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بحوالي 100 ألف مرة من نظيراتها ، ويمكن أن تعمل لأسابيع متتالية.

بطبيعة الحال ، بنى الفريق نموذجًا أوليًا لإثبات المفهوم وأجرى بعض الاختبارات لإثبات نجاح طريقتهم. على سبيل المثال ، قاموا بتصوير التلوث (على شكل زجاجات بلاستيكية) في Keyser Pond في جنوب شرق نيو هامبشاير ، وكذلك تصوير نجم البحر الأفريقي (بروتوريستر لينكلي) في “بيئة خاضعة للرقابة مع إضاءة خارجية”. كانت دقة الصورة الأخيرة جيدة بما يكفي لالتقاط الدرنات المختلفة على طول الأذرع الخمسة لنجم البحر.

تمكن الفريق أيضًا من استخدام الكاميرا اللاسلكية تحت الماء لمراقبة نمو نبات مائي (Aponogeton ulvaceus) على مدار عدة أيام ، واكتشاف العلامات المرئية وتحديد موقعها غالبًا ما تستخدم للتتبع تحت الماء والمعالجة الآلية. حققت الكاميرا معدلات كشف عالية ودقة توطين عالية تصل إلى مسافة حوالي 3.5 متر (حوالي 11 قدم ونصف) ؛ يقترح المؤلفون أنه يمكن تحقيق نطاقات اكتشاف أطول باستخدام مستشعرات عالية الدقة. تعد المسافة أيضًا عاملاً في حصاد الطاقة وقدرات الاتصال بالكاميرا ، وفقًا للاختبارات التي أجريت في نهر تشارلز في شرق ولاية ماساتشوستس. كما هو متوقع ، تتناقص هاتان الإمكانيات الحيوية مع المسافة ، على الرغم من أن الكاميرا نجحت في نقل البيانات على بعد 40 مترًا (131 قدمًا) من جهاز الاستقبال.

باختصار ، كتب المؤلفون: “إن طبيعة طريقتنا غير المقيدة وغير المكلفة والمتكاملة تمامًا تجعلها نهجًا مرغوبًا فيه لعمليات الانتشار الهائلة في المحيطات”. يتطلب توسيع نطاق نهجهم محولات طاقة أكثر تطوراً وكفاءة ، فضلاً عن عمليات نقل صوتية تحت الماء ذات طاقة أعلى. من الممكن أيضًا أن يستفيد المرء من الشبكات المتداخلة القائمة من العوامات الموجودة على سطح المحيط ، أو شبكات الروبوتات تحت الماء مثل عوامات Argo ، لتشغيل كاميرات تجميع الطاقة عن بُعد.

“أحد أكثر تطبيقات هذه الكاميرا إثارة بالنسبة لي شخصيًا هو في سياق مراقبة المناخ ،” قال أديب. “نحن نبني نماذج مناخية ، لكننا نفتقد البيانات من أكثر من 95 بالمائة من المحيط. يمكن أن تساعدنا هذه التكنولوجيا في بناء نماذج مناخية أكثر دقة وفهم أفضل لكيفية تأثير تغير المناخ على العالم تحت الماء.”

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