Esta cámara inalámbrica aprovecha las ondas sonoras para revelar los secretos de las profundidades marinas

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Una cámara submarina inalámbrica y sin pilas desarrollada en el MIT podría tener muchos usos, entre ellos la modelización del clima. "Nos faltan datos de más del 95 por ciento del océano. Esta tecnología podría ayudarnos a construir modelos climáticos más precisos y a comprender mejor el impacto del cambio climático en el mundo submarino", afirma el profesor asociado Fadel Adib. Créditos Imagen: Adam Glanzman
Una cámara submarina inalámbrica y sin pilas desarrollada en el MIT podría tener muchos usos, entre ellos la modelización del clima. "Nos faltan datos de más del 95 por ciento del océano. Esta tecnología podría ayudarnos a construir modelos climáticos más precisos y a comprender mejor el impacto del cambio climático en el mundo submarino", afirma el profesor asociado Fadel Adib. Créditos Imagen: Adam Glanzman

Más del 95 por ciento de los océanos de la Tierra nunca se han observado. Los científicos del MIT han construido una cámara submarina inalámbrica y sin baterías para explorar regiones oceánicas desconocidas. La cámara es 100.000 veces más eficiente energéticamente que otras cámaras submarinas y puede capturar fotos en color incluso en entornos submarinos oscuros, y transmite los datos de las imágenes de forma inalámbrica a través del agua.

El sonido proporciona la energía de la cámara. Transforma la energía mecánica de las ondas sonoras que se mueven por el agua en energía eléctrica para alimentar su tecnología de imagen y comunicaciones. La cámara utiliza las ondas sonoras para transmitir los datos a un receptor que reconstruye la imagen después de haberla capturado y codificado.

La cámara puede funcionar durante semanas antes de ser recuperada, lo que permite a los científicos examinar zonas oceánicas aisladas en busca de nuevas especies. También puede descubrir el grado de contaminación del océano y controlar la salud y el crecimiento de los peces criados en granjas de acuicultura.

Fadel Adib, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del grupo de Cinética de Señales del Laboratorio de Medios del MIT, y autor principal de un nuevo artículo sobre el sistema, dijo: "Una de las aplicaciones más emocionantes de esta cámara para mí personalmente 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 a comprender mejor el impacto del cambio climático en el mundo submarino."

Los transductores compuestos por materiales piezoeléctricos están colocados por todo el exterior de la cámara para recoger energía. Se genera una señal eléctrica cuando se aplica una fuerza mecánica a los materiales piezoeléctricos. Los transductores vibran y transforman la energía mecánica de una onda sonora que atraviesa el agua en energía eléctrica cuando choca con ellos.

Esas ondas sonoras pueden proceder de cualquier fuente, como el paso de un barco o la vida marina. La cámara almacena la energía cosechada hasta que ha acumulado la suficiente para alimentar los componentes electrónicos que toman las fotos y comunican los datos.

Los sensores de imagen de muy bajo consumo de la cámara mantienen el consumo de energía lo más bajo posible. Pero estos sensores sólo capturan imágenes en escala de grises. Y como la mayoría de los entornos subacuáticos carecen de una fuente de luz, también tuvieron que desarrollar un flash de bajo consumo.

Adib afirma: "Intentamos minimizar el hardware en la medida de lo posible, lo que crea nuevas limitaciones a la hora de construir el sistema, enviar la información y realizar la reconstrucción de la imagen. Hizo falta mucha creatividad para averiguar cómo hacerlo".

Este problema se ha resuelto utilizando LEDs rojos, verdes y azules. Cuando la cámara capta una imagen, hace brillar un LED rojo y luego utiliza los sensores de imagen para tomar la foto. Repite el mismo proceso con los LED verdes y azules.


El asistente de investigación Waleed Akbar afirma: "Aunque la imagen parezca en blanco y negro, la luz de color rojo, verde y azul se refleja en la parte blanca de cada foto. Cuando los datos de la imagen se combinan en el posprocesamiento, se puede reconstruir la imagen en color".

"Cuando éramos niños en clase de arte, nos enseñaron que podíamos hacer todos los colores utilizando tres colores básicos. Las mismas reglas se aplican a las imágenes en color que vemos en nuestros ordenadores. Para construir imágenes en color, necesitamos el rojo, el verde y el azul, estos tres canales".

Mediante una técnica conocida como retrodispersión subacuática, los datos de la imagen se codifican en forma de bits (1s y 0s) y se entregan a un receptor un bit cada vez después de ser adquiridos. La cámara sirve de espejo para reflejar las ondas sonoras transmitidas por el receptor a través del agua. La cámara devuelve la onda al receptor reflejándola o transforma su espejo en un absorbente para evitar la reflexión.

Un hidrófono situado 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 posprocesar la imagen.

Según Afzal, "todo este proceso, ya que sólo requiere un único interruptor para convertir el dispositivo de un estado no reflectante a un estado reflectante, consume cinco órdenes de magnitud menos de energía que los típicos sistemas de comunicación submarina".

Los científicos probaron la cámara en varios entornos submarinos. En uno de ellos, captaron imágenes en color de botellas de plástico que flotaban en un estanque de New Hampshire. También tomaron fotos de tan alta calidad de una estrella de mar africana que se veían pequeños tubérculos a lo largo de sus brazos.

El dispositivo también fue eficaz a la hora de tomar imágenes repetidas de la planta submarina Aponogeton ulvaceus en un entorno oscuro durante más de una semana para controlar su crecimiento.

Los científicos intentan ahora ampliar el alcance de la cámara. Han conseguido transmitir datos a 40 metros del receptor, pero ampliar ese alcance permitiría utilizar la cámara en más entornos submarinos.

Haitham Al-Hassanieh, profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, que no participó en esta investigación, dijo: "Esto abrirá grandes oportunidades para la investigación tanto en dispositivos de IoT de baja potencia como en la supervisión e investigación submarina."

Fuentes, créditos y referencias:

Afzal, S.S., Akbar, W., Rodriguez, O. et al. Battery-free wireless imaging of underwater environments. Nat Commun 13, 5546 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33223-x

Fuente: MIT

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