이 수중 카메라는 배터리 없이 무선으로 작동합니다.

/ MIT 엔지니어들은 과학자들이 바다의 미지의 지역을 탐험하고 오염을 추적하거나 기후 변화의 영향을 모니터링하는 데 도움이 될 수 있는 배터리가 필요 없는 무선 수중 카메라를 구축했습니다.

아담 글란츠만

MIT 엔지니어들은 배터리가 없는 무선 수중 카메라를 만들었습니다. 이 카메라는 자체적으로 전력을 축적하면서 매우 적은 전력을 소비할 수 있다고 합니다. 새 종이 네이처 커뮤니케이션즈에 게재. 시스템은 어두운 곳에서도 잠긴 물체의 컬러 이미지를 원격으로 캡처하고 무선으로 데이터를 전송하여 수중 환경의 실시간 모니터링을 지원하여 새로운 희귀종의 발견, 해류, 오염 또는 상업 및 군사 작전 모니터링을 돕습니다. .

우리는 이미 수중 사진을 찍는 다양한 방법을 가지고 있지만 저자에 따르면 “대부분의 해양 및 해양 생물은 아직 관찰되지 않았습니다.” 이는 부분적으로 대부분의 현재 방법이 전력 및 통신을 위해 선박, 수중 드론 또는 발전소에 연결해야 하기 때문입니다. 테더링을 사용하지 않는 방법에는 배터리 전원이 포함되어야 하므로 수명이 제한됩니다. 원칙적으로는 파도, 수중 해류 또는 햇빛으로부터 에너지를 수확하는 것이 가능하지만 그렇게 하는 데 필요한 장비를 추가하면 훨씬 더 크고 더 비싼 수중 카메라가 될 것입니다.

그래서 MIT 팀은 배터리가 필요 없는 무선 이미징 방법을 위한 솔루션을 개발하기 시작했습니다. 설계 목표는 필요한 하드웨어를 최대한 줄이는 것이었습니다. 예를 들어, MIT 팀은 전력 소비를 최소화하기를 원했기 때문에 저렴한 기성 이미징 센서를 사용했습니다. 단점은 이러한 센서가 회색조 이미지만 생성한다는 것입니다. 또한 팀은 대부분의 수중 환경에 자연광이 많이 들어오지 않기 때문에 저전력 플래시도 개발해야 했습니다.

수중 바운싱 이미징 시스템의 작동 방식에 대한 개요입니다.
/ 수중 바운싱 이미징 시스템의 작동 방식에 대한 개요.

SS Afzal et al., 2022

두 가지 문제에 대한 솔루션에는 빨간색, 녹색 및 파란색 LED가 포함됩니다. 카메라는 빨간색 LED를 사용하여 위치를 조명하고 센서로 해당 이미지를 캡처한 다음 녹색 및 파란색 LED로 프로세스를 반복합니다. 저자는 이미지가 흑백으로 보일 수 있지만 LED에서 나오는 세 가지 색상의 빛이 각 이미지의 흰색 부분에 반사된다고 말합니다. 따라서 후처리 중에 풀 컬러 이미지를 재구성할 수 있습니다.

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“어렸을 때 미술 시간에 우리는 삼원색을 사용하여 모든 색을 만들 수 있다고 배웠습니다.” 공동 저자 Fadel Adeeb은 다음과 같이 말했습니다.. “컴퓨터에서 볼 수 있는 컬러 이미지에 대해 동일한 규칙을 따릅니다. 컬러 이미지를 생성하려면 빨강, 녹색 및 파랑(이 세 가지 채널)만 있으면 됩니다.”

이미지 데이터가 비트로 인코딩된 후 센서는 배터리 대신 압전 음향 후방 산란에 의존하여 초저전력 통신을 수행합니다. 이 방법은 자체 오디오 신호(예: 수중 음파 탐지기)를 생성할 필요가 없으며 대신 한 번에 한 비트씩 데이터를 전송하기 위해 수중 소리의 반사를 변조하는 데 의존합니다. 이 데이터는 수정된 패턴을 검색할 수 있는 원격 수신기에 의해 캡처된 다음 이진 정보를 사용하여 이미지를 재구성합니다. 저자들은 그들의 수중 카메라가 다른 카메라보다 약 100,000배 더 에너지 효율적이며 몇 주 동안 계속 작동할 수 있다고 추정합니다.

당연히 팀은 개념 증명 프로토타입을 구축하고 몇 가지 테스트를 실행하여 방법이 효과가 있음을 증명했습니다. 예를 들어, 그들은 뉴햄프셔 남동부의 Keyser Pond에서 오염(플라스틱 병 형태로)을 촬영했으며 아프리카 불가사리(프로토스터 링클리) “실외 조명이 있는 통제된 환경”에서. 마지막 이미지의 해상도는 불가사리의 다섯 팔을 따라 다양한 결절을 포착하기에 충분했습니다.

수중 후방 산란 이미징을 사용하여 얻은 샘플 이미지.
/ 수중 후방 산란 이미징을 사용하여 얻은 샘플 이미지.

봄 여름 시즌. 베스트 외, 2022

팀은 또한 무선 수중 카메라를 사용하여 수생 식물의 성장을 모니터링할 수 있었습니다(아포노게톤 울바세우스) 며칠 ​​동안 수중 추적 및 자동화 처리에 자주 사용되는 시각적 태그를 감지하고 찾습니다. 카메라는 최대 약 3.5미터(약 11.5피트) 거리까지 높은 감지율과 높은 위치 파악 정확도를 달성했습니다. 저자는 고해상도 센서로 더 긴 감지 범위를 얻을 수 있다고 제안합니다. 메사추세츠 동부의 찰스 강에서 실시한 테스트에 따르면 거리는 카메라의 에너지 수확 및 통신 기능의 한 요소이기도 합니다. 카메라가 수신기에서 최대 40미터(131피트)까지 데이터를 전송했지만 예상대로 이 두 가지 중요한 기능은 거리에 따라 감소합니다.

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요약하면, 저자들은 “우리 방법의 무제한적이고 저렴하며 완전히 통합된 특성으로 인해 해양 대량 분산에 대한 바람직한 접근 방식을 만들었습니다.”라고 씁니다. 접근 방식을 확장하려면 더 발전되고 효율적인 변환기와 더 높은 전력의 수중 음향 전송이 필요합니다. 또한 기존의 해양 표면 부표 메쉬 네트워크 또는 Argo 부표와 같은 수중 로봇 네트워크를 활용하여 에너지 수집 카메라를 원격으로 작동할 수 있습니다.

“저 개인적으로 이 카메라의 가장 흥미로운 응용 프로그램 중 하나는 기후 모니터링의 맥락에서입니다.” 아디브가 말했다. “우리는 기후 모델을 구축하고 있지만 바다의 95% 이상에서 데이터가 누락되었습니다. 이 기술은 우리가 더 정확한 기후 모델을 구축하고 기후 변화가 수중 세계에 어떻게 영향을 미치는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

DOI: 네이처 커뮤니케이션즈, 2022. 10.1038 / s41467-022-33223-x (DOI 정보).

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