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2022-09-28Ingenieros del MIT construyen una cámara subacuática inalámbrica sin batería

MIT |El dispositivo podría ayudar a los científicos a explorar regiones desconocidas del océano, rastrear la contaminación o monitorear los efectos del cambio climático.

Los científicos estiman que nunca se ha observado más del 95 por ciento de los océanos de la Tierra, lo que significa que hemos visto menos océanos de nuestro planeta que el lado oculto de la luna o la superficie de Marte.

El alto costo de alimentar una cámara submarina durante mucho tiempo, atándola a un barco de investigación o enviando un barco para recargar sus baterías, es un gran desafío que impide la exploración submarina generalizada.

Los investigadores del MIT han dado un gran paso para superar este problema al desarrollar una cámara subacuática inalámbrica sin batería que es aproximadamente 100.000 veces más eficiente energéticamente que otras cámaras submarinas. El dispositivo toma fotografías en color, incluso en entornos submarinos oscuros, y transmite datos de imágenes de forma inalámbrica a través del agua.

La cámara autónoma funciona con sonido. Convierte la energía mecánica de las ondas de sonido que viajan a través del agua en energía eléctrica que alimenta su equipo de imágenes y comunicaciones. Después de capturar y codificar los datos de la imagen, la cámara también usa ondas de sonido para transmitir datos a un receptor que reconstruye la imagen. 

Debido a que no necesita una fuente de energía, la cámara podría funcionar durante semanas antes de recuperarla, lo que permite a los científicos buscar nuevas especies en partes remotas del océano. También podría usarse para capturar imágenes de la contaminación del océano o monitorear la salud y el crecimiento de los peces criados en granjas acuícolas.

“Personalmente, una de las aplicaciones más emocionantes de esta cámara es en el contexto de la vigilancia del clima. Estamos construyendo modelos climáticos, pero nos faltan datos de más del 95 por ciento del océano. Esta tecnología podría ayudarnos a construir modelos climáticos más precisos y comprender mejor cómo el cambio climático afecta el mundo submarino”, dice Fadel Adib, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y director del grupo Signal Kinetics en el MIT Media Lab. y autor principal de un nuevo artículo sobre el sistema.

Junto a Adib en el artículo están los coautores principales y los asistentes de investigación del grupo Signal Kinetics Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar y Osvy Rodriguez, así como el científico investigador Unsoo Ha y los ex investigadores del grupo Mario Doumet y Reza Ghaffarivardavagh. El artículo se publica hoy en Nature Communications .

Para construir una cámara que pudiera funcionar de forma autónoma durante largos períodos, los investigadores necesitaban un dispositivo que pudiera recolectar energía bajo el agua por sí solo y consumiendo muy poca energía.

La cámara adquiere energía mediante transductores hechos de materiales piezoeléctricos que se colocan alrededor de su exterior. Los materiales piezoeléctricos producen una señal eléctrica cuando se les aplica una fuerza mecánica. Cuando una onda de sonido que viaja a través del agua golpea los transductores, estos vibran y convierten esa energía mecánica en energía eléctrica.

Esas ondas de sonido pueden provenir de cualquier fuente, como un barco que pasa o vida marina. La cámara almacena la energía recolectada hasta que se acumula lo suficiente para alimentar los componentes electrónicos que toman fotos y comunican datos.

Para mantener el consumo de energía lo más bajo posible, los investigadores utilizaron sensores de imagen de potencia ultrabaja listos para usar. Pero estos sensores solo capturan imágenes en escala de grises. Y dado que la mayoría de los entornos submarinos carecen de una fuente de luz, también necesitaban desarrollar un flash de baja potencia.

“Estábamos tratando de minimizar el hardware tanto como fuera posible, y eso crea nuevas restricciones sobre cómo construir el sistema, enviar información y realizar la reconstrucción de imágenes. Se necesitó bastante creatividad para descubrir cómo hacer esto”, dice Adib.

Resolvieron ambos problemas simultáneamente usando LED rojos, verdes y azules. Cuando la cámara captura una imagen, enciende un LED rojo y luego usa sensores de imagen para tomar la foto. Repite el mismo proceso con LEDs verdes y azules.

Aunque la imagen se ve en blanco y negro, la luz de color rojo, verde y azul se refleja en la parte blanca de cada foto, explica Akbar. Cuando los datos de la imagen se combinan en el procesamiento posterior, la imagen en color se puede reconstruir.

“Cuando éramos niños en la clase de arte, nos enseñaron que podíamos hacer todos los colores usando tres colores básicos. Las mismas reglas siguen para las imágenes en color que vemos en nuestras computadoras. Solo necesitamos rojo, verde y azul, estos tres canales, para construir imágenes en color”, dice.

Envío de datos con sonido

Una vez que se capturan los datos de la imagen, se codifican como bits (1 y 0) y se envían a un receptor bit a bit mediante un proceso llamado retrodispersión subacuática. El receptor transmite ondas de sonido a través del agua a la cámara, que actúa como un espejo para reflejar esas ondas. La cámara refleja una onda hacia el receptor o cambia su espejo a un absorbente para que no se refleje.

Un hidrófono junto al transmisor detecta si la cámara refleja una señal. Si recibe una señal, es un bit 1, y si no hay señal, es un bit 0. El sistema utiliza esta información binaria para reconstruir y postprocesar la imagen.

"Todo este proceso, dado que solo requiere un solo interruptor para convertir el dispositivo de un estado no reflectante a un estado reflectante, consume cinco órdenes de magnitud menos de energía que los sistemas de comunicaciones submarinos típicos", dice Afzal.

Los investigadores probaron la cámara en varios entornos submarinos. En uno, capturaron imágenes en color de botellas de plástico flotando en un estanque de New Hampshire. También pudieron tomar fotos de tan alta calidad de una estrella de mar africana que los diminutos tubérculos a lo largo de sus brazos eran claramente visibles. El dispositivo también fue efectivo para obtener imágenes repetidas de la planta submarina Aponogeton ulvaceus en un ambiente oscuro en el transcurso de una semana para monitorear su crecimiento.

Ahora que han demostrado un prototipo funcional, los investigadores planean mejorar el dispositivo para que sea práctico para su implementación en entornos del mundo real. Quieren aumentar la memoria de la cámara para que pueda capturar fotos en tiempo real, transmitir imágenes o incluso grabar videos bajo el agua.

También quieren ampliar el alcance de la cámara. Transmitieron con éxito datos a 40 metros del receptor, pero ampliar ese rango permitiría usar la cámara en más entornos submarinos.

"Esto abrirá grandes oportunidades para la investigación tanto en dispositivos IoT de baja potencia como en el monitoreo y la investigación bajo el agua", dice Haitham Al-Hassanieh, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, quien fue no participan en esta investigación.

Esta investigación cuenta con el apoyo, en parte, de la Oficina de Investigación Naval, la Beca de Investigación Sloan, la Fundación Nacional de Ciencias, el Laboratorio de Medios del MIT y la Cátedra Doherty en Utilización de los Océanos.

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