この水中カメラは、バッテリーなしでワイヤレスで動作します

MIT のエンジニアは、バッテリーなしでワイヤレス水中カメラを構築しました。 新しい紙 Nature Communications に掲載されました。 このシステムは、暗い場所でも水没物体のカラー画像をリモートでキャプチャし、ワイヤレスでデータを送信して水中環境をリアルタイムで監視し、新しい希少種の発見、海流、汚染、または商業および軍事活動の監視を支援します。 .

水中で写真を撮るさまざまな方法がすでにありますが、著者によると、「ほとんどの海洋生物と海洋生物はまだ観察されていません」。 これは、現在のほとんどの方法では、電力と通信の両方のために船、水中ドローン、または発電所に接続する必要があるためです。 テザリングを使用しない方法にはバッテリー電源が含まれている必要があり、寿命が制限されます。 海の波、水中の流れ、または太陽光からエネルギーを収集することは原則的に可能ですが、そのために必要な機器を追加すると、はるかに大きく高価な水中カメラが必要になります.

そこで MIT チームは、バッテリー不要のワイヤレス イメージング方法のソリューションの開発に着手しました。 設計の目標は、必要なハードウェアを可能な限り削減することでした。 たとえば、電力消費を最小限に抑えたいため、MIT チームは安価な市販の画像センサーを使用しました。 トレードオフは、これらのセンサーがグレースケール画像しか生成しないことです。 ほとんどの水中環境では自然光があまり得られないため、チームは低出力フラッシュも開発する必要がありました。

両方の課題の解決には、赤、緑、青の LED が必要であることがわかりました。 カメラは赤い LED を使用して場所を照らし、センサーでその画像をキャプチャしてから、緑と青の LED でこのプロセスを繰り返します。 著者によると、画像は白黒に見えるかもしれませんが、LED からの 3 色の光は各画像の白い部分に反射しています。 そのため、後処理中にフルカラー画像を再構成できます。

「子供の頃、美術の授業で、三原色を使ってすべての色を作ることができると教えられました。」 共著者のファデル・アディーブは次のように述べています。. 「コンピューターで見るカラー画像と同じルールに従います。カラー画像を作成するには、赤、緑、青の 3 つのチャネルだけが必要です。」

センサーは、バッテリーの代わりに、画像データがビットとしてエンコードされた後、非常に低電力の通信のためにピエゾ音響後方散乱に依存しています。 この方法では、独自のオーディオ信号を生成する必要はありません (たとえば、ソナーのように)。代わりに、水中の音の反射を変調して、一度に 1 ビットずつデータを送信します。 このデータは、変更されたパターンを取得できるリモート受信機によってキャプチャされ、バイナリ情報を使用して画像が再構成されます。 著者らは、彼らの水中カメラは、対応するものよりも約 100,000 倍エネルギー効率が高く、何週間も連続して動作できると推定しています。

当然のことながら、チームは概念実証のプロトタイプを作成し、いくつかのテストを実行して、その方法が機能することを証明しました。 たとえば、彼らはニューハンプシャー州南東部のカイザー池で (ペットボトルの形で) 汚染を撮影したり、アフリカのヒトデを撮影したりしました (プロトルスター・リンクリー）「屋外照明のある管理された環境」で。 最後の画像の解像度は、ヒトデの 5 本の腕に沿ったさまざまな結節を捉えるのに十分でした。

チームはまた、ワイヤレス水中カメラを使用して、水生植物の成長を監視することもできました (アポノゲトン・アルヴァセウス）水中追跡と自動処理によく使用される視覚タグの検出と位置特定を数日間にわたって行いました。 このカメラは、最大約 3.5 メートル (約 11.5 フィート) の距離まで、高い検出率と高い位置特定精度を達成しました。 著者らは、より高い解像度のセンサーを使用すると、より長い検出範囲を達成できることを示唆しています。 マサチューセッツ州東部のチャールズ川で実施されたテストによると、距離もカメラのエネルギー ハーベスティングと通信機能の要因の 1 つです。 予想通り、これらの 2 つの重要な機能は距離とともに減少しますが、カメラは受信機から最大 40 メートル (131 フィート) までデータを正常に送信します。

要約すると、著者は次のように書いています。 彼らのアプローチをスケールアップするには、より高度で効率的なトランスデューサーと、より高出力の水中音響伝送が必要です。 海面ブイの既存のメッシュ ネットワークや、Argo ブイなどの水中ロボットのネットワークを利用して、エネルギー収集カメラをリモートで操作することも可能です。

「個人的にこのカメラの最もエキサイティングなアプリケーションの 1 つは、気候監視のコンテキストです。」 アディーブ 彼は言った. 「私たちは気候モデルを構築していますが、海洋の 95% 以上からデータが不足しています。この技術は、より正確な気候モデルを構築し、気候変動が水中の世界にどのような影響を与えているかをよりよく理解するのに役立ちます。」

DOI: ネイチャー コミュニケーションズ、2022 年。 10.1038 / s41467-022-33223-x (DOIについて）。