Cette caméra sous-marine fonctionne sans fil sans piles

Agrandir / Les ingénieurs du MIT ont construit une caméra sous-marine sans fil sans batterie qui pourrait aider les scientifiques à explorer des régions inconnues de l’océan, à surveiller la pollution ou à surveiller les effets du changement climatique.

Adam Glanzmann

Selon un nouvel article publié dans la revue Nature Communications, les ingénieurs du MIT ont construit une caméra sous-marine sans fil sans batterie qui peut récolter de l’énergie par elle-même tout en consommant très peu d’énergie. Le système peut prendre des photos couleur d’objets sous-marins éloignés, même dans des environnements sombres, et transmettre des données sans fil pour la surveillance en temps réel des environnements sous-marins, aider à la découverte de nouvelles espèces rares ou surveiller les courants océaniques, la pollution ou les opérations commerciales et militaires.

Nous disposons déjà de diverses méthodes de prise d’images sous-marines, mais selon les auteurs, “la plupart des organismes océaniques et marins n’ont pas encore été observés”. Cela est en partie dû au fait que la plupart des méthodes existantes nécessitent une connexion à des navires, des drones sous-marins ou des centrales électriques pour l’alimentation et les communications. Les méthodes qui n’utilisent pas de connexion doivent intégrer une alimentation par batterie, ce qui limite leur durée de vie. Bien qu’il soit en principe possible de récolter l’énergie des vagues océaniques, des courants sous-marins ou même de la lumière du soleil, l’ajout de l’équipement nécessaire à cette fin se traduirait par une caméra sous-marine beaucoup plus encombrante et coûteuse.

Ensuite, l’équipe du MIT a commencé à développer une solution pour une méthode d’imagerie sans fil sans batterie. L’objectif de conception était de minimiser autant que possible le matériel requis. Comme ils voulaient minimiser la consommation d’énergie, par exemple, l’équipe du MIT a utilisé des capteurs d’imagerie standard peu coûteux. Le compromis est que ces capteurs ne produisent que des images en niveaux de gris. L’équipe a également dû développer un flash à faible puissance, car la plupart des environnements sous-marins ne reçoivent pas beaucoup de lumière naturelle.

Vue d'ensemble du fonctionnement du système d'imagerie par rétrodiffusion sous-marine.
Agrandir / Vue d’ensemble du fonctionnement du système d’imagerie par rétrodiffusion sous-marine.

SS Afzal et al., 2022

La solution aux deux défis s’est avérée être l’incorporation de LED rouges, vertes et bleues. La caméra utilise la LED rouge pour l’éclairage in situ et capture cette image avec ses capteurs, puis répète le processus avec les LED verte et bleue. L’image peut apparaître en noir et blanc, selon les auteurs, mais les trois couleurs de la lumière LED se reflètent dans la partie blanche de chaque image. De cette manière, il est possible de reconstruire une image couleur lors du post-traitement.

“Quand nous étions enfants dans des cours d’art, on nous a appris que nous pouvions créer toutes les couleurs en utilisant trois couleurs de base”, a déclaré le co-auteur Fadel Adib. “Les mêmes règles s’appliquent aux images en couleur que nous voyons sur nos ordinateurs. Nous avons juste besoin de rouge, de vert et de bleu, ces trois canaux, pour créer des images en couleur.”

Au lieu d’une batterie, le capteur s’appuie sur une rétrodiffusion piézo-acoustique pour une communication à très faible puissance après que les données d’image ont été codées sous forme de bits. Cette méthode n’a pas besoin de générer son propre signal acoustique (comme avec le sonar, par exemple), reposant plutôt sur la modulation des réflexions des sons sous-marins incidents pour transmettre les données un bit à la fois. Ces données sont collectées par un récepteur distant capable de récupérer les motifs modulés et les informations binaires sont ensuite utilisées pour reconstruire l’image. Les auteurs estiment que leur caméra sous-marine est environ 100 000 fois plus économe en énergie que ses homologues et pourrait fonctionner pendant des semaines.

Naturellement, l’équipe a construit un prototype de preuve de concept et a effectué des tests pour prouver que leur méthode fonctionnait. Par exemple, ils ont filmé la pollution (sous forme de bouteilles en plastique) à Keyser Pond dans le sud-est du New Hampshire, ainsi que des images d’une étoile de mer africaine (Protoreaster lincklii) dans un “environnement contrôlé avec éclairage extérieur”. La résolution de cette dernière image était suffisamment bonne pour capturer les différents tubercules le long des cinq bras de l’étoile de mer.

Exemples d'images obtenues à l'aide de l'imagerie par rétrodiffusion sous-marine.
Agrandir / Exemples d’images obtenues à l’aide de l’imagerie par rétrodiffusion sous-marine.

SS. Afzal et al., 2022

L’équipe a également pu utiliser sa caméra sans fil sous-marine pour surveiller la croissance d’une plante aquatique (Aponogeton ulvaceus) pendant plusieurs jours et pour détecter et localiser les balises visuelles souvent utilisées pour le suivi sous-marin et la manipulation robotique. La caméra a atteint des taux de détection élevés et une grande précision de localisation jusqu’à une distance d’environ 3,5 mètres (environ 11 pieds et demi); les auteurs suggèrent que des plages de détection plus longues pourraient être atteintes avec des capteurs à plus haute résolution. La distance est également un facteur dans la récolte d’énergie et les capacités de communication de la caméra, selon des tests effectués dans la rivière Charles, dans l’est du Massachusetts. Comme prévu, les deux capacités critiques diminuent avec la distance, bien que la caméra ait réussi à transmettre des données à 40 mètres (131 pieds) du récepteur.

En bref, “la nature sans fil, peu coûteuse et entièrement intégrée de notre méthode en fait une approche souhaitable pour les déploiements océaniques massifs”, ont écrit les auteurs. L’augmentation de leur approche nécessite des transducteurs plus sophistiqués et efficaces, ainsi que des transmissions acoustiques sous-marines plus puissantes. Il est possible que les réseaux maillés existants de bouées de surface océanique, ou les réseaux de robots sous-marins tels que les flotteurs Argo, puissent également être utilisés pour alimenter à distance les caméras pour la récupération d’énergie.

“L’une des applications les plus intéressantes de cette caméra pour moi personnellement est dans le contexte de la surveillance du climat”, a déclaré Adib. « Nous construisons des modèles climatiques, mais nous manquons de données sur plus de 95 % de l’océan. Cette technologie pourrait nous aider à construire des modèles climatiques plus précis et à mieux comprendre comment le changement climatique affecte le monde sous-marin.

DOI : Nature Communications, 2022. 10.1038 / s41467-022-33223-x (Informations sur les DOI).

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