Os engenheiros do MIT construíram uma câmera subaquática sem fio e sem bateria capaz de coletar energia por conta própria enquanto consome muito pouca energia, de acordo com um novo papel publicado na revista Nature Communications. O sistema pode tirar fotos coloridas de objetos remotos submersos, mesmo em ambientes escuros, e transmitir os dados sem fio para monitoramento em tempo real de ambientes subaquáticos, auxiliando na descoberta de novas espécies raras ou monitoramento de correntes, poluição oceânica, operações comerciais e militares.

Já temos vários métodos para fazer imagens subaquáticas, mas segundo os autores, “a maioria dos organismos oceânicos e marinhos ainda não foi observada”. Isso ocorre em parte porque a maioria dos métodos existentes requer amarração a navios, drones subaquáticos ou usinas de energia para energia e comunicação. Os métodos que não usam tethering devem incorporar energia da bateria, o que limita sua vida útil. Embora seja possível, em princípio, coletar energia das ondas do mar, correntes submarinas ou até mesmo da luz solar, adicionar o equipamento necessário para fazer isso resultaria em uma câmera subaquática muito mais volumosa e mais cara.

Assim, a equipe do MIT decidiu desenvolver uma solução para um método de imagem sem fio e sem bateria. O objetivo do projeto era minimizar o hardware necessário tanto quanto possível. Como eles queriam manter o consumo de energia no mínimo, por exemplo, a equipe do MIT usou sensores de imagem baratos e prontos para uso. A desvantagem é que esses sensores produzem apenas imagens em tons de cinza. A equipe também precisava desenvolver um flash de baixa potência, já que a maioria dos ambientes subaquáticos não recebe muita luz natural.

A solução para ambos os desafios acabou por ser a incorporação de LEDs vermelho, verde e azul. A câmera usa o LED vermelho para iluminação pontual e captura essa imagem com seus sensores, depois repete o processo com os LEDs verde e azul. A imagem pode parecer em preto e branco, de acordo com os autores, mas todas as três cores de luz dos LEDs refletem na parte branca de cada imagem. Portanto, uma imagem colorida pode ser reconstruída durante o pós-processamento.

“Quando éramos crianças na aula de arte, nos ensinaram que poderíamos fazer todas as cores usando três cores básicas.” disse o co-autor Fadel Adib. “As mesmas regras são seguidas para imagens coloridas que vemos em nossos computadores. Só precisamos de vermelho, verde e azul, esses três canais, para construir imagens coloridas.”

Em vez de uma bateria, o sensor conta com retrodifusão piezoacústica para comunicação de energia ultrabaixa após os dados da imagem serem codificados como bits. Esse método não precisa gerar seu próprio sinal acústico (como o sonar, por exemplo), mas depende da modulação de reflexões de sons subaquáticos incidentes para transmitir dados bit a bit. Esses dados são coletados por um receptor remoto capaz de recuperar os padrões modulados e, em seguida, as informações binárias são usadas para reconstruir a imagem. Os autores estimam que sua câmera subaquática é cerca de 100.000 vezes mais eficiente em termos de energia do que suas contrapartes e pode funcionar por semanas.

Naturalmente, a equipe construiu um protótipo de prova de conceito e fez alguns testes para provar que seu método funcionava. Por exemplo, eles tiraram fotos de poluição (na forma de garrafas plásticas) em Keyser Pond, no sudeste de New Hampshire, bem como uma estrela-do-mar africana (Protoreaster lincklii) em “ambiente controlado com iluminação externa”. A resolução da última imagem foi boa o suficiente para capturar os vários tubérculos ao longo dos cinco braços da estrela do mar.

A equipe também foi capaz de usar sua câmera subaquática sem fio para monitorar o crescimento de uma planta aquática (Aponogeton ulvaceus) por vários dias e para detectar e localizar tags visuais frequentemente usadas para rastreamento subaquático e manuseio robótico. A câmera alcançou altas taxas de detecção e alta precisão de localização até uma distância de cerca de 3,5 metros (cerca de 11 pés e meio); os autores sugerem que alcances de detecção mais longos podem ser alcançados com sensores de resolução mais alta. A distância também é um fator nas capacidades de coleta de energia e comunicação da câmera, de acordo com testes realizados no rio Charles, no leste de Massachusetts. Como esperado, esses dois recursos críticos diminuem com a distância, embora a câmera tenha transmitido dados com sucesso a 40 metros (131 pés) de distância do receptor.

Em resumo, “a natureza livre, barata e totalmente integrada do nosso método o torna uma abordagem desejável para implantações oceânicas em massa”, escreveram os autores. Ampliar seu foco requer transdutores mais sofisticados e eficientes, bem como transmissões acústicas subaquáticas de maior potência. Redes de bóias de malha existentes na superfície do oceano, ou redes de robôs submarinos como os flutuadores Argo, também podem ser usadas para alimentar remotamente câmaras de coleta de energia.

“Pessoalmente, uma das aplicações mais interessantes para esta câmera está no contexto de monitoramento do clima.” Adib disse. “Estamos construindo modelos climáticos, mas faltam dados para mais de 95% do oceano. Essa tecnologia pode nos ajudar a construir modelos climáticos mais precisos e entender melhor como as mudanças climáticas afetam o mundo subaquático.”

DOI: Nature Communications, 2022. 10.1038/s41467-022-33223-x (Sobre DOIs).