Os cientistas estimam que mais de 95 por cento dos oceanos da Terra nunca foram observados, o que significa que vimos menos oceano do nosso planeta do que o lado oculto da Lua ou a superfície de Marte.
O alto custo de alimentar uma câmera subaquática por um longo tempo, amarrando-a a um navio de pesquisa ou enviando um navio para recarregar suas baterias, é um grande desafio que impede a ampla exploração submarina.

Os pesquisadores do MIT deram um grande passo para superar esse problema desenvolvendo uma câmera subaquática sem fio e sem bateria que é cerca de 100.000 vezes mais eficiente em termos de energia do que outras câmeras submarinas. O dispositivo tira fotos coloridas, mesmo em ambientes subaquáticos escuros, e transmite dados de imagem sem fio pela água.

A câmera autônoma é alimentada por som. Ele converte a energia mecânica das ondas sonoras que viajam pela água em energia elétrica que alimenta seus equipamentos de imagem e comunicação. Depois de capturar e codificar os dados da imagem, a câmera também usa ondas sonoras para transmitir os dados para um receptor que reconstrói a imagem.

Como não precisa de uma fonte de energia, a câmera pode funcionar por semanas a fio antes de ser recuperada, permitindo que os cientistas pesquisem novas espécies em partes remotas do oceano. Também pode ser usado para capturar imagens da poluição dos oceanos ou monitorar a saúde e o crescimento de peixes criados em fazendas de aquicultura.

"Uma das aplicações mais interessantes desta câmera para mim é no contexto de monitoramento climático. Estamos construindo modelos climáticos, mas faltam dados de 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", diz Fadel Adib, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor do grupo Signal Kinetics no MIT Media Lab, e autor sênior do artigo.

Juntando-se a Adib no artigo estão os co-autores principais e os assistentes de pesquisa do grupo Signal Kinetics Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar e Osvy Rodriguez, bem como o cientista pesquisador Unsoo Ha e os ex-pesquisadores do grupo Mario Doumet e Reza Ghaffarivardavagh. O artigo é publicado em Nature Communications .

Ficar sem bateria

Para construir uma câmera que pudesse operar de forma autônoma por longos períodos, os pesquisadores precisavam de um dispositivo que pudesse coletar energia debaixo d'água por conta própria, consumindo muito pouca energia.

A câmera adquire energia usando transdutores feitos de materiais piezoelétricos que são colocados em seu exterior. Materiais piezoelétricos produzem um sinal elétrico quando uma força mecânica é aplicada a eles. Quando uma onda sonora viajando pela água atinge os transdutores, eles vibram e convertem essa energia mecânica em energia elétrica.

Essas ondas sonoras podem vir de qualquer fonte, como um navio de passagem ou vida marinha. A câmera armazena a energia coletada até que ela se acumule o suficiente para alimentar os eletrônicos que tiram fotos e comunicam dados.

Para manter o consumo de energia o mais baixo possível, os pesquisadores usaram sensores de imagem de ultrabaixo consumo. Mas esses sensores capturam apenas imagens em escala de cinza. E como a maioria dos ambientes subaquáticos não possui uma fonte de luz, eles também precisavam desenvolver um flash de baixa potência.

"Estávamos tentando minimizar o hardware o máximo possível, e isso cria novas restrições sobre como construir o sistema, enviar informações e realizar a reconstrução de imagens. Foi preciso muita criatividade para descobrir como fazer isso", Adib diz.

Eles resolveram os dois problemas simultaneamente usando LEDs vermelho, verde e azul. Quando a câmera captura uma imagem, ela acende um LED vermelho e usa sensores de imagem para tirar a foto. Ele repete o mesmo processo com LEDs verdes e azuis.

Mesmo que a imagem pareça em preto e branco, a luz vermelha, verde e azul é refletida na parte branca de cada foto, explica Akbar. Quando os dados da imagem são combinados no pós-processamento, a imagem colorida pode ser reconstruída.

"Quando éramos crianças na aula de arte, fomos ensinados que poderíamos fazer todas as cores usando três cores básicas. As mesmas regras se seguem para imagens coloridas que vemos em nossos computadores. Só precisamos de vermelho, verde e azul - esses três canais - para construir imagens coloridas", diz ele.

Enviando dados com som

Uma vez que os dados de imagem são capturados, eles são codificados como bits (1s e 0s) e enviados para um receptor um bit de cada vez usando um processo chamado retrodifusão subaquática. O receptor transmite ondas sonoras através da água para a câmera, que atua como um espelho para refletir essas ondas. A câmera reflete uma onda de volta para o receptor ou muda seu espelho para um absorvedor para que não reflita de volta.

Um hidrofone próximo ao transmissor detecta se um sinal é refletido de volta da câmera. Se receber um sinal, é um bit-1, e se não houver sinal, é um bit-0. O sistema usa essas informações binárias para reconstruir e pós-processar a imagem.

"Todo esse processo, uma vez que requer apenas um único switch para converter o dispositivo de um estado não reflexivo para um estado reflexivo, consome cinco ordens de magnitude menos energia do que os sistemas de comunicação subaquáticos típicos", diz Afzal.

Os pesquisadores testaram a câmera em vários ambientes subaquáticos. Em um deles, eles capturaram imagens coloridas de garrafas plásticas flutuando em um lago de New Hampshire. Eles também foram capazes de tirar fotos de alta qualidade de uma estrela-do-mar africana que minúsculos tubérculos ao longo de seus braços eram claramente visíveis. O dispositivo também foi eficaz em imagens repetidas da planta subaquática Aponogeton ulvaceus em um ambiente escuro ao longo de uma semana para monitorar seu crescimento.

Agora que eles demonstraram um protótipo funcional, os pesquisadores planejam aprimorar o dispositivo para que seja prático para implantação em configurações do mundo real. Eles querem aumentar a memória da câmera para que ela possa capturar fotos em tempo real, transmitir imagens ou até mesmo gravar vídeos subaquáticos.

Eles também querem estender o alcance da câmera. Eles transmitiram dados com sucesso a 40 metros do receptor, mas aumentar esse alcance permitiria que a câmera fosse usada em mais configurações subaquáticas. + Explorar mais

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