يقوم مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ببناء كاميرا لاسلكية تحت الماء بدون بطارية
يقدر العلماء أن أكثر من 95% من محيطات الأرض لم تتم رؤيتها من قبل، مما يعني أننا رأينا مساحة أقل من محيطات كوكبنا مقارنة بالجانب البعيد من القمر أو سطح المريخ.
إن التكلفة العالية لتشغيل كاميرا تحت الماء لفترة طويلة من الزمن، أو ربطها بسفينة أبحاث أو إرسال سفينة لإعادة شحن بطارياتها، تمثل تحديًا كبيرًا يعوق الاستكشاف تحت الماء على نطاق واسع.
وقد اتخذ الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خطوة مهمة للتغلب على هذه المشكلة من خلال تطوير كاميرا لاسلكية تحت الماء بدون بطارية، وهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بحوالي 100000 مرة من الكاميرات الأخرى تحت الماء. يلتقط الجهاز صورًا ملونة، حتى في البيئات المظلمة تحت الماء، وينقل بيانات الصورة لاسلكيًا عبر الماء.
الكاميرا المستقلة مدعومة بالصوت. فهو يحول الطاقة الميكانيكية للموجات الصوتية التي تنتقل عبر الماء إلى طاقة كهربائية تعمل على تشغيل معدات التصوير والاتصالات الخاصة به. بعد التقاط بيانات الصورة وترميزها، تستخدم الكاميرا أيضًا موجات صوتية لنقل البيانات إلى جهاز الاستقبال الذي يعيد بناء الصورة.
ولأنها لا تحتاج إلى مصدر للطاقة، يمكن أن تعمل الكاميرا لأسابيع قبل التعافي، مما يسمح للعلماء بالبحث عن أنواع جديدة في المناطق النائية من المحيط. ويمكن استخدامه أيضًا لالتقاط صور لتلوث المحيطات أو مراقبة صحة ونمو الأسماك التي يتم تربيتها في مزارع تربية الأحياء المائية.
“أحد التطبيقات الأكثر إثارة لهذه الكاميرا بالنسبة لي شخصيًا هو في سياق مراقبة المناخ. نحن نبني نماذج مناخية، ولكننا نفتقر إلى البيانات المتعلقة بأكثر من 95% من المحيطات. يقول فاضل أديب، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ومدير مجموعة Signal Group: “يمكن لهذه التكنولوجيا أن تساعدنا في بناء نماذج مناخية أكثر دقة وفهم أفضل لتأثير تغير المناخ على العالم تحت الماء”. الحركية في مختبر الوسائط بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والمؤلف الرئيسي لورقة جديدة حول النظام.
الاستغناء عن البطارية
لبناء كاميرا يمكنها العمل بشكل مستقل لفترات طويلة من الزمن، احتاج الباحثون إلى جهاز يمكنه تجميع الطاقة تحت الماء مع استهلاك القليل جدًا من الطاقة.
تكتسب الكاميرا الطاقة باستخدام محولات الطاقة المصنوعة من مواد كهرضغطية موضوعة حول الجزء الخارجي منها. تنتج المواد الكهرضغطية إشارة كهربائية عند تطبيق قوة ميكانيكية عليها. عندما تضرب موجة صوتية تمر عبر الماء محولات الطاقة، فإنها تهتز وتحول هذه الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية.
يمكن أن تأتي هذه الموجات الصوتية من أي مصدر، مثل سفينة عابرة أو حياة بحرية. تقوم الكاميرا بتخزين الطاقة المجمعة حتى تتراكم طاقة كافية لتشغيل الأجهزة الإلكترونية التي تلتقط الصور وتنقل البيانات.
وللحفاظ على استهلاك الطاقة عند أدنى مستوى ممكن، استخدم الباحثون أجهزة استشعار تصويرية منخفضة الطاقة للغاية جاهزة للاستخدام. لكن هذه المستشعرات تلتقط صورًا ذات تدرج رمادي فقط. وبما أن معظم البيئات تحت الماء لا تحتوي على مصدر للضوء، فقد كان عليهم أيضًا تطوير فلاش منخفض الطاقة.
“كنا نحاول تقليل حجم الأجهزة قدر الإمكان، مما يخلق قيودًا جديدة على كيفية بناء النظام وإرسال المعلومات وإعادة بناء الصور. يقول أديب: “لقد استغرق الأمر الكثير من الإبداع لمعرفة كيفية القيام بذلك”.
لقد قاموا بحل كلتا المشكلتين في وقت واحد باستخدام مصابيح LED باللون الأحمر والأخضر والأزرق. عندما تلتقط الكاميرا صورة، فإنها تضيء مؤشر LED باللون الأحمر ثم تستخدم مستشعرات الصورة لالتقاط الصورة. يكرر نفس العملية مع مصابيح LED الخضراء والزرقاء.
ويوضح أكبر أنه على الرغم من أن الصورة تظهر بالأبيض والأسود، إلا أن الضوء الأحمر والأخضر والأزرق ينعكس على الجزء الأبيض من كل صورة. عندما يتم دمج بيانات الصورة في مرحلة ما بعد المعالجة، يمكن إعادة بناء الصورة الملونة.
“عندما كنا أطفالًا في صف الفنون، تعلمنا أنه يمكننا إنشاء أي لون باستخدام ثلاثة ألوان أساسية. تنطبق نفس القواعد على الصور الملونة التي نراها على أجهزة الكمبيوتر لدينا. نحتاج فقط إلى الأحمر والأخضر والأزرق – هذه القنوات الثلاث – لبناء صور ملونة.
إرسال البيانات بالصوت
بعد التقاط بيانات الصورة، يتم تشفيرها على هيئة بتات (1 و0) وإرسالها إلى جهاز الاستقبال بمعدل بت واحد في كل مرة باستخدام عملية تسمى التشتت الخلفي تحت الماء. ينقل جهاز الاستقبال الموجات الصوتية عبر الماء إلى الكاميرا، التي تعمل كمرآة لتعكس هذه الموجات. تعكس الكاميرا موجة باتجاه المستقبل أو تحول مرآتها إلى ماصة حتى لا تنعكس.
يكتشف مكبر الصوت الموجود بجوار جهاز الإرسال ما إذا كانت الإشارة تنعكس من الكاميرا. إذا استقبلت إشارة، فهي بت-1، وإذا لم تكن هناك إشارة، فهي بت-0. يستخدم النظام هذه المعلومات الثنائية لإعادة بناء الصورة ومعالجتها بعد ذلك.
“هذه العملية برمتها، نظرًا لأنها لا تتطلب سوى مفتاح واحد لتحويل الجهاز من حالة غير عاكسة إلى حالة عاكسة، تستهلك طاقة أقل بخمس مرات من الطاقة مقارنة بأنظمة الاتصالات التقليدية تحت الماء”، يوضح أفضل.
اختبر الباحثون الكاميرا في عدة بيئات تحت الماء. وفي إحداها، التقطوا صورًا ملونة لزجاجات بلاستيكية تطفو في بركة في نيو هامبشاير. وتمكنوا أيضًا من التقاط صور عالية الجودة لنجم البحر الأفريقي، حيث كانت الدرنات الصغيرة على طول ذراعيه مرئية بوضوح. وكان الجهاز فعالًا أيضًا في التصوير المتكرر للنبات تحت الماء Aponogeton ulvaceus في بيئة مظلمة لمدة أسبوع لمراقبة نموه.
والآن بعد أن أظهروا نموذجًا أوليًا عمليًا، يخطط الباحثون لتحسين الجهاز بحيث يكون عمليًا للنشر في بيئات حقيقية. إنهم يريدون زيادة ذاكرة الكاميرا حتى تتمكن من التقاط صور في الوقت الفعلي، أو بث الصور، أو حتى تصوير مقاطع فيديو تحت الماء.
إنهم يريدون أيضًا توسيع نطاق الكاميرا. لقد تمكنوا من نقل البيانات على بعد 40 مترًا من جهاز الاستقبال، لكن توسيع هذا النطاق سيسمح باستخدام الكاميرا في بيئات تحت الماء.
يقول هيثم الحسنية، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في جامعة إلينوي أوربانا شامبين، والذي لم يشارك في المشروع: “سيفتح هذا فرصًا بحثية كبيرة في كل من أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة وكذلك المراقبة والأبحاث تحت الماء”. هذا البحث.
يتم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مكتب الأبحاث البحرية، وزمالة سلون للأبحاث، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومختبر الوسائط بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وكرسي دوهرتي في استخدام المحيطات.