Gli scienziati stimano che più del 95% degli oceani della Terra non sono mai stati osservati. Ciò significa che abbiamo visto meno dell'oceano del nostro Pianeta rispetto a quanto abbiamo osservato sul lontano lato della Luna o sulla superficie di Marte.
L'elevato costo dell'alimentazione di una telecamera subacquea per lungo tempo - effettuata legandola a un vascello di ricerca o inviando una nave per ricaricare le batterie - è una sfida impegnativa che impedisce un'esplorazione sottomarina diffusa.
I ricercatori del MIT hanno fatto un passo importante per superare questo problema. Hanno sviluppato una telecamera subacquea wireless senza batterie che è circa 100.000 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ad altre telecamere sottomarine. Il dispositivo scatta foto a colori, anche in ambienti subacquei bui, e trasmette i dati delle immagini in modalità wireless attraverso l'acqua.
Dall'energia delle onde a quella elettrica
La fotocamera autonoma è alimentata dal suono. Converte l'energia meccanica delle onde sonore che viaggiano attraverso l'acqua in energia elettrica, alimentando così le sue apparecchiature di imaging e comunicazione. Dopo aver acquisito e codificato i dati dell'immagine, la fotocamera utilizza anche onde sonore per trasmettere i dati a un ricevitore che ricostruisce l'immagine.
Non avendo bisogno di una fonte di energia, la fotocamera potrebbe funzionare per settimane prima del recupero, consentendo agli scienziati di cercare parti remote dell'oceano per nuove specie. Potrebbe anche essere utilizzato per catturare immagini dell'inquinamento marino o monitorare la salute e la crescita dei pesci allevati negli allevamenti di acquacoltura.
"Personalmente, una delle applicazioni più interessanti di questa fotocamera è nel contesto del monitoraggio del clima. Stiamo costruendo modelli climatici, ma mancano i dati di oltre il 95% dell'oceano. Questa tecnologia potrebbe aiutarci a costruire modelli climatici più accurati e a capire meglio l'impatto del cambiamento climatico sul mondo sottomarino", dice Fadel Adib, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttore del gruppo Signal Kinetics nel MIT Media Lab, nonché autore senior di un nuovo articolo sul sistema. Insieme ad Adib, Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, e Osvy Rodriguez, così come lo scienziato ricercatore Unsoo Ha, e gli ex ricercatori del gruppo Mario Doumet e Reza Ghaffarivardavagh. Il documento è pubblicato oggi su Nature Communications.
Verso il "battery-free"
Per costruire una fotocamera in grado di funzionare autonomamente per lunghi periodi, i ricercatori avevano bisogno di un dispositivo in grado di raccogliere energia sott'acqua da solo, consumando pochissima energia.
La fotocamera acquisisce energia utilizzando trasduttori realizzati con materiali piezoelettrici posizionati intorno al suo esterno. I materiali piezoelettrici producono un segnale elettrico quando viene applicata loro una forza meccanica. Quando un'onda sonora che viaggia attraverso l'acqua colpisce i trasduttori, essi vibrano e convertono l'energia meccanica in energia elettrica.
Quelle onde sonore potrebbero provenire da qualsiasi fonte, come una nave di passaggio o la vita marina. La fotocamera memorizza l'energia raccolta fino a quando non ha accumulato abbastanza per alimentare l'elettronica che serve per scattare foto e comunicare dati.
Per mantenere il consumo energetico il più basso possibile, i ricercatori hanno utilizzato sensori di imaging a bassissima potenza. Ma questi sensori catturano solo immagini in scala di grigi. Inoltre, poiché la maggior parte degli ambienti subacquei non ha una fonte di luce, dovevano anche sviluppare un flash a bassa potenza. "Stavamo cercando di minimizzare l'hardware il più possibile, e questo crea nuovi vincoli su come costruire il sistema, inviare informazioni ed eseguire la ricostruzione delle immagini. Ci è voluta una buona dose di creatività per capire come fare", dice Adib.
Hanno risolto entrambi i problemi contemporaneamente utilizzando LED rossi, verdi e blu. Quando la fotocamera cattura un'immagine emette un LED rosso e, quindi, utilizza i sensori di immagine per scattare la foto. Ripete lo stesso processo con LED verdi e blu. "Anche se l'immagine appare in bianco e nero, la luce di colore rosso, verde e blu si riflette nella parte bianca di ogni foto", spiega Akbar. Quando i dati dell'immagine vengono combinati in post-elaborazione, l'immagine a colori può essere ricostruita.
"Quando eravamo bambini in classe di arte, ci hanno insegnato che potevamo fare tutti i colori utilizzando tre colori di base. Le stesse regole valgono per le immagini a colori che vediamo sui nostri computer. Abbiamo solo bisogno di rosso, verde e blu - questi tre canali - per costruire immagini a colori", spiega il Professore.
Inviare i dati tramite il suono
Una volta che i dati delle immagini vengono catturati, vengono codificati come bit (1s e 0s) e inviati a un ricevitore un bit alla volta utilizzando un processo chiamato "backscatter subacqueo". Il ricevitore trasmette le onde sonore attraverso l'acqua alla macchina fotografica, che funge da specchio per riflettere quelle onde. La fotocamera o riflette un'onda verso il ricevitore, o cambia il suo specchio in un assorbitore in modo che non rifletta indietro. Un idrofono accanto al trasmettitore rileva se un segnale viene riflesso dalla fotocamera. Se riceve un segnale, quello è un bit-1, e se non c'è segnale, quello è un bit-0. Il sistema utilizza queste informazioni binarie per ricostruire e post-elaborare l'immagine. "Poiché richiede solo un singolo interruttore per convertire il dispositivo da uno stato non riflettente a uno stato riflettente, questo processo consuma cinque ordini di grandezza in meno di potenza rispetto ai tipici sistemi di comunicazione subacquei", dice Afzal.
I ricercatori hanno testato la fotocamera in diversi ambienti sottomarini. In uno, hanno catturato immagini a colori di bottiglie di plastica galleggianti in uno stagno del New Hampshire. Erano anche in grado di scattare foto di così alta qualità di una stella marina africana che i piccoli tubercoli lungo le braccia erano chiaramente visibili. Il dispositivo è stato anche efficace nel fotografare ripetutamente la pianta subacquea Aponogeton ulvaceus in un ambiente buio nel corso di una settimana per monitorare la sua crescita.
Una scoperta ricca di potenziale
Ora che hanno dimostrato un prototipo funzionante, i ricercatori prevedono di migliorare il dispositivo in modo che sia pratico per l'implementazione in contesti reali.
Vogliono, in primis, aumentare la memoria della fotocamera in modo che possa scattare foto in tempo reale, trasmettere immagini in streaming o persino girare video subacquei. Inoltre, intendono anche estendere la gamma della fotocamera. Hanno trasmesso con successo i dati a 40 m dal ricevitore, ma con una gamma più ampia la fotocamera potrebbe essere utilizzata in più impostazioni subacquee.
"Questo aprirà grandi opportunità per la ricerca sia nei dispositivi IoT a bassa potenza, sia per il monitoraggio subacqueo e la ricerca," ha commentato Haitham Al-Hassanieh, un Assistente Professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, non coinvolto in questa ricerca.
La ricerca è supportata, in parte, dall'Office of Naval Research, dalla Sloan Research Fellowship, dalla National Science Foundation, dal MIT Media Lab e dalla Doherty Chair in Ocean Utilization.
FONTE: Afzal, S.S., Akbar, W., Rodriguez, O. et al. Battery-free wireless imaging of underwater environments. Nat Commun 13, 5546 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33223-x
