دوربین زیرآبی بدون باتری، برق موردنیازش را از تبدیل امواج صوتی زیر آب تامین می‌کند
تبلیغات
طبق برآورد دانشمندان، بیش از 95 درصد اقیانوس‌های جهان هنوز برای بشر ناشناخته است. یعنی بشر اکثر مناطق اقیانوس‌ها را که مساحت‌شان معادل مساحت کل مریخ است، هنوز نکاویده است، چون برای این‌کار ابزار کافی ندارد.
برای کاوش در اعماق اقیانوس دوربین زیرآبی لازم است و این دوربین‌ها باید مدتی طولانی برق داشته باشند تا بتوانند از اعماق اقیانوس تصویر بگیرند. دانشمندان معمولا دوربین‌های کاوشگر زیرآبی را به شناورهای دریایی متصل می‌کنند تا برق آنها بدین‌طریق تامین شود. گاهی نیز به منطقه عملیاتی دوربین، کشتی می‌فرستند تا باتری دوربین زیرآبی را شارژ کند. طبیعتا هر دو شیوه پرهزینه و محدودکننده هستند و نتیجتاً گسترش کاوش در زیر دریا با چالش بزرگی مواجه است.
پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی) برای حل مشکل، نوعی دوربین زیردریایی ساخته‌اند که بی‌سیم است و باتری لازم ندارد. دوربین مذکور در مقایسه با سایر دوربین‌های زیردریایی تقریبا 1000 برابر انرژی کمتری مصرف می‌کند و با این‌حال، حتی در محیط‌های تاریک زیردریا نیز عکس‌های رنگی می‌گیرد و داده‌های تصویری خود را بی‌سیم از زیردریا به زمین می‌فرستد.
ویژگی جالب‌توجه دوربین جدید، شارژ شدن خودکار آن با صوت است. این دوربین، انرژی مکانیکی حاصل از امواج صوتی زیر آب را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و بدین‌ترتیب برق اجزای تصویربرداری و ارتباطی خود را تامین می‌کند. دوربین پس از ثبت تصویر، آن‌را به داده‌های دودویی یا باینری (صفر و یک دیجیتال) تبدیل می‌کند و آنها را نیز با استفاده از امواج صوتی به گیرنده می‌فرستد تا در آن‌جا مجددا به قالب تصویر بازگردند.
دستگاه جدید چون منبع برق لازم ندارد، می‌تواند هفته‌ها زیر آب کار کند و لذا دانشمندان با کمک آن می‌توانند نقاط دوردست‌تری از اقیانوس را برای یافتن گونه‌های گیاهی و جانوری جدید بکاوند. ضمنا با دوربین جدید می‌توان از آلودگی اقیانوس‌ها یا سلامت و رشد آبزیان در مزارع کشاورزی نیز تصویر گرفت.
فاضل ادیب، دانش‌یار گروه آموزشی مهندسی برق و علوم کامپیوتر ام‌آی‌تی و نیز نویسنده ارشد مقاله مربوطه می‌گوید، یکی از جالب‌ترین کاربردهای این دوربین در حوزه پایش آب‌وهوا نمود می‌یابد. گاهی دانشمندان برای تحقیقات علمی خود، مدل‌های جوی می‌سازند اما چون به داده‌های بیش از 95 درصد اقیانوس‌های جهان دسترسی ندارند، قاعدتا تحلیل‌های‌شان دقت کمتری دارد. فناوری جدید کمک‌شان می‌کند تا مدل‌های جوی دقیق‌تری بسازند و تاثیر چگونگی تغییر آب‌وهوا بر دنیای زیر آب را بهتر درک کنند.
دوربین زیرآبی بی‌نیاز از باتری
برای ساخت دوربینی که خودکار و طولانی‌مدت کار کند، محققان وسیله‌ای لازم داشتند که بتواند انرژی زیرآب را جمعآوری کند و در عین حال، برق بسیار کمی بخواهد.
دوربین جدید، برای کسب انرژی از نوعی مبدل بهره می‌برد. دورِ دیواره‌ی خارجی مبدل، مواد فشاربرقی (پیزوالکتریک) به‌کار رفته است. مواد فشاربرقی موادی هستند که وقتی فشار مکانیکی بر آنها وارد شود، سیگنال یا میدان الکتریکی تولید می‌کنند. وقتی امواج صوتی درون آب حرکت می‌کنند، به مبدل برمی‌خورند و آن‌را می‌لرزانند. مبدل بدین‌سان انرژی مکانیکی حاصل از برخورد موج صوتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
امواج صوتی زیرآب از منابع مختلفی منتشر می‌شوند. مثلا حرکت آبزیان در زیر دریا و یا عبور کشتی‌ها از منطقه عملیاتی دوربین، موج صوتی تولید می‌کنند. دوربین، انرژی حاصل از امواج صوتی را جمعآوری و ذخیره می‌کند تا چنانچه برای تامین برق اجزای الکترونیکی دوربین کافی بود، دوربین بتواند عکس بگیرد و داده‌های خود را برای دانشمندان بفرستد.
محققان از حسگرهای تصویری بسیار کم‌مصرفِ موجود در بازار بهره بردند تا دوربین حتی‌الامکان انرژی کمتری مصرف کند. اما آن حسگرها فقط تصویر سیاه‌وسفید ثبت می‌کردند و چون اکثر نقاط زیر آب تاریکند، دوربین به فلاش کم‌مصرف هم نیاز داشت.
پژوهشگران کوشیدند سخت‌افزارهای دستگاه را حتی‌الامکان کاهش دهند، اما این راه‌کار نیز در نحوه ساخت سامانه، ارسال اطلاعات و بازسازی تصویر، محدودیت‌های دیگری را سبب می‌شد. لذا رفع این مشکلات مستلزم نوآوری‌هایی بود.
آنها با استفاده از «ال‌ای‌دی» یا دیودهای نورافشانِ قرمز، سبز و آبی، هر دو مشکل را هم‌زمان رفع کردند. وقتی دوربین، تصویری ثبت می‌کند، یک دیود قرمز را می‌درخشاند و سپس حسگرهای تصویر را به‌کار می‌اندازد تا عکس بگیرد. دوربین همین فرآیند را بار دیگر با دیود سبز و بار دیگر با دیود آبی انجام می‌دهد.
«ولید اکبر» از پژوهشگران گروه می‌گوید، با این‌که تصاویر دوربین، سیاه و سفید به‌نظر می‌رسد، اما نور رنگی سرخ، سبز و آبی در بخش سفید عکس انعکاس می‌یابد. در مرحله پس‌پردازش، داده‌های تصویر با هم ترکیب و عکس رنگی بازسازی می‌شود.
او می‌گوید، سر کلاس هنر به بچه‌ها یاد می‌دادند که با سه رنگ اصلی می‌توان تمام رنگ‌ها را ساخت. همان قوانین در تصاویر رنگی رایانه‌ای نیز پابرجاست. رایانه‌ها فقط سه کانال اصلی رنگ دارند که قرمز، سبز و آبی است و همه دیگر رنگ‌ها از ترکیب همین سه رنگ اصلی ساخته می‌شوند.
ارسال داده‌ها با صوت
وقتی داده‌های تصویری ثبت شدند، به بیت‌ها (صفر و یک‌های دیجیتال) تبدیل می‌شوند و یک‌به‌یک و با فرآیندی موسوم به بازپراکنش زیرآبی1 برای گیرنده ارسال می‌شوند. گیرنده، امواج صوتی را از طریق آب به دوربین می‌فرستد و دوربین، مثل آینه امواج را منعکس می‌کند. دوربین یا موج را مجددا به گیرنده بازمی‌تاباند یا آینه‌اش را به‌سمت جاذب موج تغییر می‌دهد که در این‌صورت، آن موج‌ها دیگر منعکس نمی‌شوند.
کنار فرستنده‌وگیرنده، یک آب‌لرزه‌یاب (هیدروفن) هم وجود دارد که تشخیص می‌دهد آیا سیگنال از سمت دوربین منعکس شده است یا نه. اگر «آب‌لرزه‌یاب» سیگنالی دریافت کند، به منزله بیتِ 1 است و اگر سیگنالی دریافت نشود، آن‌را بیتِ صفر در نظر می‌گیرد. سامانه مذکور، این اطلاعات دودویی را برای بازسازی تصویر و پس‌پردازش آن به‌کار می‌برد.
فرآیند فوق‌الذکر برای تبدیل وسیله از حالت غیربازتابی به حالت بازتابی فقط یک سوئیچ لازم دارد و لذا در مقایسه با سامانه‌های رایجِ ارتباط زیرآبی، 5 برابر برق کمتری مصرف می‌کند.
محققان، دوربین جدید را در چندین محیط زیرآبی امتحان کردند. آنها در یکی از آزمون‌ها از بطری‌های پلاستیکیِ شناور در آبگیر «نیو همپشایر» عکس‌های رنگی گرفتند. آنها از ستاره‌های دریایی آفریقایی نیز که در امتداد باوزهای‌شان برآمدگی‌های ریزی دارند، عکس‌های رنگی واضحی گرفتند. این دستگاه جدید همچنین توانست طی دوره‌ای هفته‌روزه از نوعی گیاه زیرآبی موسوم به «آپونوژتون آلواسئوس» در محیط تاریک زیر آب، تصویر پیاپی بگیرد تا رشد گیاه پایش شود.
اکنون که محققان پیش‌نمونه کارآمدی از این دوربین جدید ساخته‌اند، می‌خواهند آن‌را ارتقا دهند. آنها می‌خواهند حافظه دوربین را افزایش دهند تا بتواند بی‌درنگ عکس بگیرد، تصاویر را جاری (استریم) کند، یا حتی زیرآب فیلم بگیرد.
محققان می‌خواهند برد دوربین را هم افزایش دهند. آنها فعلا داده‌ها را تا فاصله 40 متری از گیرنده ارسال کرده‌اند، اما اگر برد دوربین افزایش یابد، می‌توان آن‌را در مناطق عمیق‌تر اقیانوس به کار گرفت.
پی‌نوشت:
- بازپراکنش زیرآب (underwater backscatter) زمانی رخ می‌دهد که پرتو نور در همان جهتی که منتشر شده است، منعکس شود.
- Aponogeton ulvaceus
