Los ingenieros del MIT construyen una batería

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Los científicos estiman que más del 95 por ciento de los océanos de la Tierra nunca han sido observados, lo que significa que hemos visto menos océanos de nuestro planeta que la cara oculta de la Luna o la superficie de Marte.

El alto costo de alimentar una cámara submarina durante mucho tiempo, atándola a un buque de investigación o enviando un barco para recargar sus baterías, es un gran desafío que impide una exploración submarina generalizada.

Los investigadores del MIT han dado un paso importante para superar este problema al desarrollar una cámara submarina inalámbrica y sin batería que es aproximadamente 100.000 veces más eficiente energéticamente que otras cámaras submarinas. El dispositivo toma fotografías en color, incluso en ambientes submarinos oscuros, y transmite datos de imágenes de forma inalámbrica a través del agua.

La cámara autónoma funciona con sonido. Convierte la energía mecánica de las ondas sonoras que viajan a través del agua en energía eléctrica que alimenta sus equipos de imágenes y comunicaciones. Después de capturar y codificar datos de imágenes, la cámara también utiliza ondas sonoras para transmitir datos a un receptor que reconstruye la imagen.

Debido a que no necesita una fuente de energía, la cámara podría funcionar durante semanas antes de ser recuperada, lo que permitiría a los científicos buscar nuevas especies en partes remotas del océano. También podría usarse para capturar imágenes de la contaminación del océano o monitorear la salud y el crecimiento de los peces criados en granjas acuícolas.

“Personalmente, una de las aplicaciones más interesantes de esta cámara es en el contexto de la monitorización 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 comprender mejor cómo el cambio climático afecta el mundo submarino”, dice Fadel Adib, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del grupo Signal Kinetics en el MIT Media Lab. y autor principal de un nuevo artículo sobre el sistema.

Junto a Adib en el artículo se encuentran los coautores principales y asistentes de investigación del grupo Signal Kinetics, Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar y Osvy Rodríguez, así como el científico investigador Unsoo Ha y los ex investigadores del grupo Mario Doumet y Reza Ghaffarivardavagh. El artículo se publica hoy en Nature Communications.

Sin batería

Para construir una cámara que pudiera funcionar de forma autónoma durante largos períodos, los investigadores necesitaban un dispositivo que pudiera recolectar energía bajo el agua por sí solo consumiendo muy poca energía.

La cámara adquiere energía mediante transductores fabricados con materiales piezoeléctricos que se colocan alrededor de su exterior. Los materiales piezoeléctricos producen una señal eléctrica cuando se les aplica una fuerza mecánica. Cuando una onda de sonido que viaja a través del agua golpea los transductores, estos vibran y convierten esa energía mecánica en energía eléctrica.

Esas ondas sonoras podrían provenir de cualquier fuente, como un barco que pasa o vida marina. La cámara almacena la energía recolectada hasta que se acumula lo suficiente para alimentar los componentes electrónicos que toman fotografías y comunican datos.

Para mantener el consumo de energía lo más bajo posible, los investigadores utilizaron sensores de imágenes de ultrabaja potencia disponibles en el mercado. Pero estos sensores sólo capturan imágenes en escala de grises. Y como la mayoría de los entornos submarinos carecen de una fuente de luz, también tuvieron que desarrollar un flash de baja potencia.

“Estábamos tratando de minimizar el hardware tanto como fuera posible, y eso crea nuevas limitaciones sobre cómo construir el sistema, enviar información y realizar la reconstrucción de imágenes. Fue necesaria mucha creatividad para descubrir cómo hacerlo”, afirma Adib.

Resolvieron ambos problemas simultáneamente utilizando LED rojos, verdes y azules. Cuando la cámara captura una imagen, enciende un LED rojo y luego usa sensores de imagen para tomar la foto. Repite el mismo proceso con los LED verdes y azules.

Aunque la imagen parece en blanco y negro, la luz de color rojo, verde y azul se refleja en la parte blanca de cada foto, explica Akbar. Cuando los datos de la imagen se combinan en el posprocesamiento, se puede reconstruir la imagen en color.

“Cuando éramos niños en la clase de arte, nos enseñaron que podíamos hacer todos los colores usando tres colores básicos. Se siguen las mismas reglas para las imágenes en color que vemos en nuestras computadoras. Sólo necesitamos rojo, verde y azul (estos tres canales) para construir imágenes en color”, afirma.

Envío de datos con sonido

Una vez que se capturan los datos de la imagen, se codifican como bits (1 y 0) y se envían a un receptor bit a bit mediante un proceso llamado retrodispersión submarina. El receptor transmite ondas sonoras a través del agua a la cámara, que actúa como un espejo para reflejar esas ondas. La cámara refleja una onda hacia el receptor o cambia su espejo por un absorbente para que no se refleje.

Un hidrófono al lado del transmisor detecta si una señal se refleja desde la cámara. 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.

"Todo este proceso, dado que solo requiere un 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 comunicaciones submarinos", dice Afzal.

Los investigadores probaron la cámara en varios entornos submarinos. En uno, capturaron imágenes en color de botellas de plástico flotando en un estanque de New Hampshire. También pudieron tomar fotografías de tan alta calidad de una estrella de mar africana que los pequeños tubérculos a lo largo de sus brazos eran claramente visibles. El dispositivo también fue eficaz para obtener imágenes repetidas de la planta submarina Aponogeton ulvaceus en un ambiente oscuro durante el transcurso de una semana para monitorear su crecimiento.

Ahora que han demostrado un prototipo funcional, los investigadores planean mejorar el dispositivo para que sea práctico para su implementación en entornos del mundo real. Quieren aumentar la memoria de la cámara para que pueda capturar fotografías en tiempo real, transmitir imágenes o incluso grabar vídeos bajo el agua.

También quieren ampliar el alcance de la cámara. Transmitieron datos con éxito a 40 metros del receptor, pero ampliar ese rango permitiría utilizar la cámara en más entornos submarinos.

"Esto abrirá grandes oportunidades para la investigación tanto en dispositivos IoT de bajo consumo como en el monitoreo e investigación submarina", dice Haitham Al-Hassanieh, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, quien fue no involucrado con esta investigación.

Esta investigación cuenta con el apoyo, en parte, de la Oficina de Investigación Naval, la Beca de Investigación Sloan, la Fundación Nacional de Ciencias, el MIT Media Lab y la Cátedra Doherty en Utilización de los Océanos.

El profesor Fadel Adib habla con CBC Radio sobre el trabajo de su laboratorio en el desarrollo de una cámara submarina inalámbrica y sin batería que funciona con ondas sonoras. "Queremos poder utilizarlos para controlar, por ejemplo, las corrientes submarinas, porque están muy relacionadas con el impacto en el clima", afirma Adib. "O incluso los corales submarinos, al ver cómo están siendo impactados por el cambio climático y cómo la posible intervención para mitigar el cambio climático los está ayudando a recuperarse".

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