Phát minh mới về chiếc camera dưới nước không dây không pin

Theo một bài báo mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã chế tạo một máy ảnh dưới nước không dây, không dùng pin, có khả năng tự thu năng lượng trong khi tiêu thụ rất ít năng lượng.

Hệ thống này có thể chụp ảnh màu của các vật thể dưới nước từ xa - ngay cả trong môi trường tối - và sẽ truyền dữ liệu không dây để theo dõi môi trường dưới nước trong thời gian thực, giúp phát hiện các loài quý hiếm mới hoặc theo dõi dòng chảy đại dương, ô nhiễm hoặc các hoạt động thương mại và quân sự.

Theo các nhà nghiên cứu, “hầu hết các sinh vật biển và đại dương vẫn chưa được quan sát. Điều này là do các phương pháp chụp ảnh dưới nước hiện tại đều yêu cầu kết nối với tàu, máy bay không người lái dưới nước hoặc nhà máy điện để cung cấp năng lượng và liên lạc ”.

Mặc dù về nguyên tắc, có thể thu năng lượng từ sóng, dòng chảy dưới nước và thậm chí cả ánh sáng mặt trời, nhưng việc bổ sung các thiết bị cần thiết sẽ tạo ra các máy ảnh dưới nước cồng kềnh hơn, đắt tiền hơn.

Do đó, nhóm nghiên cứu tại MIT đã bắt đầu phát triển một giải pháp cho phương pháp chụp ảnh không dây không dùng pin. Mục tiêu thiết kế là giảm số lượng phần cứng cần thiết càng nhiều càng tốt. Họ cũng muốn giảm mức tiêu thụ điện năng ở mức tối thiểu, vì vậy họ đã sử dụng một cảm biến hình ảnh rẻ tiền.

Nhưng cảm biến này chỉ tạo ra hình ảnh thang xám. Nhóm cũng cần phát triển đèn flash công suất thấp vì hầu hết các môi trường dưới nước không có nhiều ánh sáng tự nhiên.

Tổng quan về cách hoạt động của hệ thống camera tán xạ ngược dưới nước

Cả hai giải pháp cho thử thách được chứng minh là kết hợp đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Camera sử dụng đèn LED màu đỏ để chiếu sáng tại chỗ và chụp ảnh đó bằng cảm biến của nó, sau đó lặp lại quy trình bằng đèn LED xanh lục và xanh lam.

Theo đó, hình ảnh có thể trông có màu đen và trắng, nhưng ánh sáng từ ba màu của đèn LED được phản chiếu trong phần màu trắng của mỗi hình ảnh có thể tạo lại hình ảnh đầy đủ màu sắc trong quá trình xử lý hậu kỳ.

Sau khi dữ liệu hình ảnh đã được mã hóa dưới dạng bit, cảm biến dựa vào tán xạ ngược âm thanh áp để giao tiếp với năng lượng cực thấp, thay vì pin. Thay vì tạo ra tín hiệu âm thanh của riêng nó (ví dụ: sonar), phương pháp này dựa vào việc điều chỉnh sự phản xạ của âm thanh dưới nước tới để truyền một phần dữ liệu tại một thời điểm.

Dữ liệu này được thu bởi một bộ thu từ xa có khả năng khôi phục mẫu điều chế, sau đó sử dụng thông tin nhị phân để tái tạo lại hình ảnh. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng máy ảnh dưới nước của họ tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 100.000 lần so với các máy ảnh tương đương và có thể hoạt động liên tục trong vài tuần.

Tất nhiên, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một nguyên mẫu thử nghiệm bằng chứng và tiến hành một số thử nghiệm để chứng minh rằng cách tiếp cận của họ hoạt động. Ví dụ, họ chụp ảnh ô nhiễm (dưới dạng chai nhựa) tại Keser Pond ở đông nam New Hampshire, và chụp ảnh một con sao biển châu Phi (Protoistoisto Linkley) trong một “môi trường được kiểm soát với ánh sáng bên ngoài”. Hình ảnh thứ hai có độ phân giải đủ để chụp các nốt sần khác nhau trên năm cánh tay của sao biển.

Hình ảnh mẫu thu được bằng cách sử dụng hình ảnh tán xạ ngược dưới nước

Nhóm nghiên cứu cũng có thể sử dụng camera không dây dưới nước của họ để theo dõi sự phát triển của thực vật thủy sinh (Aponogeton Ulvaeus) trong khoảng thời gian vài ngày.Do đó, phát hiện và định vị các thẻ trực quan thường được sử dụng để theo dõi dưới nước và hoạt động của robot. Máy ảnh đạt được tỷ lệ phát hiện cao và độ chính xác nội địa hóa cao ở khoảng cách xấp xỉ 3,5 mét (khoảng 11½ feet). 

Các nhà nghiên cứu tin rằng có thể đạt được phạm vi phát hiện dài hơn bằng cách sử dụng các cảm biến có độ phân giải cao hơn. Khoảng cách cũng là một yếu tố trong khả năng thu thập năng lượng và khả năng giao tiếp của máy ảnh, theo các thử nghiệm được thực hiện trên sông Charles ở phía đông Massachusetts. Như dự đoán, cả hai khả năng chính này đều có khả năng giảm theo khoảng cách, mặc dù camera đã truyền thành công dữ liệu từ máy thu lên đến 40 mét (131 feet).