Các kỹ sư chế tạo máy ảnh dưới nước không dây, không dùng pin
bởi Adam Zewe, Viện Công nghệ Massachusetts
Máy ảnh dưới nước không dây, không dùng pin có thể giúp các nhà khoa học khám phá các vùng chưa biết của đại dương, theo dõi ô nhiễm hoặc theo dõi tác động của biến đổi khí hậu. Ảnh: Adam Glanzman
Các nhà khoa học ước tính rằng hơn 95% đại dương trên Trái đất chưa bao giờ được quan sát, điều đó có nghĩa là chúng ta đã nhìn thấy ít đại dương trên hành tinh của chúng ta hơn chúng ta có ở phía xa của mặt trăng hoặc bề mặt của sao Hỏa.
Chi phí cao để cấp nguồn cho một máy ảnh dưới nước trong thời gian dài, bằng cách buộc nó vào một tàu nghiên cứu hoặc gửi một con tàu để sạc pin, là một thách thức lớn ngăn cản hoạt động khám phá rộng rãi dưới đáy biển.
Các nhà nghiên cứu của MIT đã thực hiện một bước quan trọng để khắc phục vấn đề này bằng cách phát triển một camera dưới nước không dây, không pin, tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 100.000 lần so với các camera dưới biển khác. Thiết bị chụp ảnh màu, ngay cả trong môi trường tối dưới nước và truyền dữ liệu hình ảnh không dây qua mặt nước.
Máy ảnh tự động hoạt động bằng âm thanh. Nó chuyển đổi năng lượng cơ học từ sóng âm thanh truyền qua nước thành năng lượng điện cung cấp năng lượng cho thiết bị liên lạc và hình ảnh của nó. Sau khi chụp và mã hóa dữ liệu hình ảnh, camera cũng sử dụng sóng âm thanh để truyền dữ liệu đến bộ thu tái tạo lại hình ảnh.
Bởi vì nó không cần nguồn điện, máy ảnh có thể chạy trong nhiều tuần liền trước khi được thu hồi, cho phép các nhà khoa học tìm kiếm các vùng xa xôi của đại dương để tìm các loài mới. Nó cũng có thể được sử dụng để chụp ảnh ô nhiễm đại dương hoặc theo dõi sức khỏe và sự tăng trưởng của cá nuôi trong các trang trại nuôi trồng thủy sản.
"Một trong những ứng dụng thú vị nhất của máy ảnh này đối với cá nhân tôi là trong bối cảnh giám sát khí hậu. Chúng tôi đang xây dựng các mô hình khí hậu, nhưng chúng tôi thiếu dữ liệu từ hơn 95% đại dương. Công nghệ này có thể giúp chúng tôi xây dựng các mô hình khí hậu chính xác hơn và hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu đối với thế giới dưới nước ", Fadel Adib, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, đồng thời là giám đốc nhóm Signal Kinetics tại MIT Media Lab, đồng thời là tác giả cao cấp của bài báo cho biết.
Tham gia cùng Adib trên bài báo là các tác giả đồng chính và trợ lý nghiên cứu của nhóm Signal Kinetics Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar và Osvy Rodriguez, cũng như nhà khoa học nghiên cứu Unsoo Ha, và các nhà nghiên cứu cũ của nhóm Mario Doumet và Reza Ghaffarivardavagh. Bài báo được xuất bản trên Nature Communications.
Không sử dụng pin
Để chế tạo một chiếc máy ảnh có thể hoạt động độc lập trong thời gian dài, các nhà nghiên cứu cần một thiết bị có thể tự thu năng lượng dưới nước trong khi tiêu thụ rất ít năng lượng.
Máy ảnh thu năng lượng bằng cách sử dụng các đầu dò làm từ vật liệu áp điện được đặt xung quanh bên ngoài của nó. Vật liệu áp điện tạo ra tín hiệu điện khi có lực cơ tác dụng lên chúng. Khi một sóng âm truyền qua nước chạm vào các đầu dò, chúng sẽ rung và chuyển năng lượng cơ học đó thành năng lượng điện.
Những sóng âm thanh đó có thể đến từ bất kỳ nguồn nào, chẳng hạn như một con tàu đi qua hoặc sinh vật biển. Các cửa hàng máy ảnh thu thập năng lượng cho đến khi tích tụ đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử chụp ảnh và truyền dữ liệu.
Để giữ mức tiêu thụ điện năng ở mức thấp nhất có thể, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các cảm biến hình ảnh siêu tiết kiệm điện. Nhưng các cảm biến này chỉ chụp ảnh thang độ xám. Và vì hầu hết các môi trường dưới nước đều thiếu nguồn sáng, họ cũng cần phát triển đèn flash công suất thấp.
"Chúng tôi đã cố gắng giảm thiểu phần cứng nhiều nhất có thể và điều đó tạo ra những hạn chế mới về cách xây dựng hệ thống, gửi thông tin và thực hiện việc tái tạo hình ảnh. Phải mất rất nhiều sự sáng tạo để tìm ra cách thực hiện điều này", Adib nói.
Họ đã giải quyết đồng thời cả hai vấn đề bằng cách sử dụng đèn LED đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Khi máy ảnh chụp ảnh, nó sẽ chiếu một đèn LED màu đỏ và sau đó sử dụng cảm biến hình ảnh để chụp ảnh. Nó lặp lại quá trình tương tự với đèn LED xanh lục và xanh lam.
Akbar giải thích, mặc dù hình ảnh trông có màu đen và trắng, nhưng ánh sáng màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam vẫn được phản chiếu trong phần màu trắng của mỗi bức ảnh. Khi dữ liệu hình ảnh được kết hợp trong quá trình xử lý hậu kỳ, hình ảnh màu có thể được tái tạo.
"Khi còn là những đứa trẻ trong lớp học mỹ thuật, chúng tôi được dạy rằng chúng tôi có thể tạo ra tất cả các màu bằng cách sử dụng ba màu cơ bản. Các quy tắc tương tự cũng tuân theo đối với hình ảnh màu mà chúng tôi nhìn thấy trên máy tính của mình. Chúng tôi chỉ cần màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương — ba kênh này— để xây dựng hình ảnh màu sắc, "ông nói.
Gửi dữ liệu có âm thanh
Sau khi dữ liệu hình ảnh được ghi lại, chúng được mã hóa dưới dạng bit (1s và 0s) và được gửi đến máy thu từng bit một bằng cách sử dụng một quá trình được gọi là tán xạ ngược dưới nước. Máy thu truyền sóng âm qua nước đến máy ảnh, máy ảnh này đóng vai trò như một tấm gương phản xạ các sóng đó. Máy ảnh phản xạ sóng trở lại bộ thu hoặc thay đổi gương của nó thành một bộ hấp thụ để nó không phản xạ trở lại.
Một hydrophone bên cạnh cảm biến máy phát nếu tín hiệu được phản xạ lại từ máy ảnh. Nếu nó nhận được tín hiệu, đó là bit-1 và nếu không có tín hiệu, đó là bit-0. Hệ thống sử dụng thông tin nhị phân này để tái tạo và xử lý sau hình ảnh.
Afzal cho biết: “Toàn bộ quá trình này, vì nó chỉ cần một công tắc duy nhất để chuyển thiết bị từ trạng thái không phản xạ sang trạng thái phản xạ, tiêu thụ ít năng lượng hơn 5 bậc so với các hệ thống thông tin liên lạc dưới nước thông thường.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm máy ảnh trong một số môi trường dưới nước. Trong một lần, họ chụp được hình ảnh màu của chai nhựa trôi nổi trong một cái ao ở New Hampshire. Họ cũng có thể chụp những bức ảnh chất lượng cao về một con sao biển châu Phi đến mức có thể nhìn thấy rõ những nốt sần nhỏ dọc theo cánh tay của nó. Thiết bị này cũng rất hiệu quả khi liên tục chụp ảnh thực vật dưới nước Aponogeton ulvaceus trong môi trường tối trong suốt một tuần để theo dõi sự phát triển của nó.
Giờ đây, họ đã chứng minh được một nguyên mẫu hoạt động, các nhà nghiên cứu có kế hoạch cải tiến thiết bị để nó có thể triển khai trong môi trường thực tế. Họ muốn tăng bộ nhớ của máy ảnh để máy có thể chụp ảnh trong thời gian thực, truyền hình ảnh hoặc thậm chí quay video dưới nước.
Họ cũng muốn mở rộng phạm vi hoạt động của camera. Họ đã truyền thành công dữ liệu từ máy thu 40 mét, nhưng việc đẩy phạm vi đó rộng hơn sẽ cho phép máy ảnh được sử dụng trong nhiều môi trường dưới nước hơn.
