Máy ảnh dưới nước mới có thể giúp các nhà khoa học khám phá những vùng chưa được biết đến của đại dương, theo dõi ô nhiễm môi trường hoặc tác động của biến đổi khí hậu.

Theo ước tính của các nhà khoa học biển, hơn 95% đại dương trên Trái đất chưa bao giờ được quan sát, những gì biết được trong đại dương trên ít hơn cả những dữ liệu hình ảnh có được trên mặt trăng hoặc bề mặt của sao Hỏa.

Một thách thức lớn ngăn cản những hoạt động nghiên cứu khám phá sâu rộng dưới đáy biển là chi phí cao khi cấp nguồn cho camera dưới nước trong thời gian dài. Để theo dõi vùng nước sâu dưới đáy biển đòi hỏi camera phải gắn vào một tàu nghiên cứu khoa học hoặc một con tàu phải thường xuyên tiếp cận để sạc lại pin cho máy quay phim, chụp ảnh.

Camera siêu tiết kiệm năng lượng

Để thu thập dữ liệu hình ảnh liên tục dưới đại dương, các kỹ sư thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã thực hiện một bước quan trọng giải quyết thách thức này, phát triển mang tính nguyên tắc 1 camera không dây, không pin dưới nước siêu tiết kiệm điện. Camera tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 100.000 lần so với những camera hoạt động dưới biển khác. Ngay cả trong môi trường tối dưới nước, thiết bị có thể chụp ảnh màu và truyền dữ liệu hình ảnh không dây qua mặt nước.

Tính năng kỹ thuật đặc biệt độc đáo của máy ảnh tự động này hoạt động bằng năng lượng âm thanh. Hệ thống chuyển đổi năng lượng cơ học từ sóng âm thanh truyền qua nước thành năng lượng cung cấp điện cho thiết bị quay phim, chụp ảnh và liên lạc không dây. Sau khi chụp và mã hóa dữ liệu hình ảnh, camera cũng sử dụng sóng âm thanh để truyền dữ liệu đến bộ đầu thu để tái tạo lại hình ảnh.

Camera không yêu cầu nguồn điện nên có thể chạy liên tục trong nhiều tuần tự động cho đến khi được thu hồi. Ưu thế này cho phép các nhà khoa học tìm kiếm những khu vực xa xôi của đại dương để phát hiện hoạt động của các nhóm sinh vật biển, phát hiện những tình huống đặc thù hoặc những loài mới. Camera được sử dụng để ghi lại tình trạng ô nhiễm đại dương hoặc theo dõi sức khỏe, sự tăng trưởng của cá nuôi trong những trang trại nuôi trồng thủy sản quy mô lớn.

Fadel Adib, PGS tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, chủ nghiệm nhóm Động học Tín hiệu tại Phòng thí nghiệm Truyền thông MIT, tác giả chính của bài báo về hệ thống camera dưới nước cho biết:

 “Một trong những ứng dụng thú vị nhất của camera này là ứng dụng trong bối cảnh giám sát khí hậu. Chúng tôi đang xây dựng các mô hình khí hậu, nhưng hoàn toàn thiếu dữ liệu từ hơn 95% đại dương. Công nghệ mới có thể giúp các nhà nghiên cứu xây những mô hình khí hậu chính xác hơn, hiểu sâu và rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu đối với thế giới dưới nước”.

Tham gia cùng PGS Adib là các tác giả đồng nghiên cứu và trợ lý nghiên cứu của nhóm Signal Kinetics Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar và Osvy Rodriguez, nhà khoa học nghiên cứu Unsoo Ha cùng các chuyên gia thuộc nhóm Mario Doumet và Reza Ghaffarivardavagh. Bài báo cáo khoa học của công trình nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature Communications ngày 26/9/2022.

Thiết bị không sử dụng pin

Để chế tạo một chiếc máy ảnh có thể hoạt động độc lập trong thời gian dài, các nhà khoa học cần một thiết bị có thể tự thu năng lượng dưới nước đồng thời tiêu thụ rất ít năng lượng.

Các bộ biến điện làm từ vật liệu áp điện được gắn xung quanh bên ngoài máy ảnh,  sử dụng để thu năng lượng. Vật liệu áp điện tạo ra tín hiệu điện khi có lực cơ học tác dụng bề mặt. Khi một sóng âm truyền qua nước chạm vào các bộ biến điện, bộ phận con lắc dao động, năng lượng cơ học chuyển hóa thành năng lượng điện.

Những sóng âm thanh dưới nước có thể đến từ bất kỳ nguồn nào như sóng âm một con tàu đi qua hoặc các sinh vật biển. Camera thu thập năng lượng cho đến khi tích tụ đủ điện để cung cấp cho các thiết bị điện tử chụp ảnh và truyền dữ liệu.

Để thiết bị tiêu thụ điện năng ở mức thấp nhất có thể, các kỹ sư đã sử dụng những cảm biến hình ảnh tiết kiệm năng lượng. Nhưng các cảm biến này chỉ chụp ảnh thang độ màu xám. Do môi trường dưới nước thiếu nguồn sáng, các nhà khoa học đã phát triển đèn flash công suất thấp.

“Chúng tôi đã cố gắng giảm thiểu phần cứng nhiều nhất có thể, điều đó gây ra những hạn chế về cách xây dựng hệ thống, gửi thông tin và thực hiện quá trình tái tạo hình ảnh. Adib cho biết, cần phải có rất nhiều sáng tạo để tìm ra giải pháp hiện thực hóa yêu cầu này.

Nhóm nghiên cứu giải quyết đồng thời cả 2 vấn đề bằng giải pháp sử dụng đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam. Khi camera chụp ảnh, thiết bị lần lượt chiếu đèn LED màu đỏ và sử dụng cảm biến hình ảnh chụp ảnh. Kỹ thuật này lặp lại quá trình tương tự với đèn LED xanh lục và xanh lam gần như tức thời.

Ông Akbar giải thích, mặc dù hình ảnh trông có màu đen và trắng, nhưng ánh sáng màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam vẫn phản chiếu trong phần màu trắng của mỗi bức ảnh. Khi dữ liệu hình ảnh được kết hợp trong quá trình xử lý hậu kỳ, ảnh màu được tái tạo từ 3 ảnh nguồn.

“Như đã biết, có thể tạo ra tất cả các màu bằng cách sử dụng ba màu cơ bản. Các quy tắc tương tự cũng được thực hiện với hình ảnh màu trên máy tính. Chúng tôi chỉ cần màu đỏ, xanh lá cây và xanh lam - ba kênh ánh sáng đơn sắc này để tạo ra hình ảnh màu sắc, ”ông nói.

Gửi dữ liệu bằng sóng âm thanh

Sau khi dữ liệu hình ảnh được ghi lại, các bức ảnh được mã hóa dưới dạng bit (1s và 0s), được gửi đến máy thu từng bit một bằng phương pháp sử dụng quy trình tán xạ ngược dưới nước. Máy thu truyền sóng âm qua nước đến camera, camera đóng vai trò như một tấm gương phản xạ các sóng âm. Camera phản xạ sóng trở lại bộ thu hoặc thay đổi gương thành một bộ hấp thụ để không phản xạ trở lại.

Một hydrophone bên cạnh thiết bị phát sẽ nhận biết, tín hiệu có được phản xạ lại từ camera hay không. Nếu hydrophone nhận được tín hiệu, đó là bit-1 và nếu không có tín hiệu, đó là bit-0. Hệ thống sử dụng thông tin nhị phân này để tái tạo và xử lý sau hình ảnh.

“Toàn bộ quy trình này chỉ cần một công tắc duy nhất để chuyển thiết bị từ trạng thái không phản xạ sang trạng thái phản xạ, tiêu thụ điện năng ít hơn 5 lần so với các hệ thống thông tin liên lạc dưới nước thông thường,” ông Afzal nói.

Camera được các nhà nghiên cứu thử nghiệm trong một số môi trường dưới nước. Các nhà khoa học đã chụp được hình ảnh màu một chai nhựa trôi nổi trong một hồ nhỏ ở New Hampshire. Nhóm cũng chụp được những bức ảnh chất lượng cao về một con sao biển châu Phi đến mức có thể nhìn thấy rõ những nốt sần nhỏ dọc xúc tua. Thiết bị này cũng rất hiệu quả khi liên tục chụp ảnh thực vật dưới nước Aponogeton ulvaceus trong suốt một tuần trong môi trường ánh sáng tối để theo dõi sự phát triển của nó.

Sau khi trình diễn chứng minh nguyên lý của một nguyên mẫu hoạt động, các kỹ sư có kế hoạch hiện đại hóa thiết bị để có thể triển khai trong các môi trường thực tế. Mục tiêu trước mắt là tăng bộ nhớ camera để có thể chụp ảnh và truyền ảnh thời gian thực hoặc có thể quay video dưới nước.

Một mục tiêu khác là mở rộng phạm vi hoạt động của camera. Nhóm nghiên cứu truyền dữ liệu thành công khi camera cách bộ thu âm 40 mét (130 feet), nhưng nếu phạm vi truyền dữ liệu rộng hơn sẽ cho phép máy ảnh sử dụng trong nhiều môi trường dưới nước hơn.

Ông Haitham Al-Hassanieh nói: “Công nghệ này mở ra cơ hội lớn để nghiên cứu phát triển các thiết bị IoT công suất thấp, các hoạt động giám sát và nghiên cứu dưới nước. Ông là PGS kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Illinois Urbana-Champaign và không tham gia vào nghiên cứu này.

Nghiên cứu được sự hỗ trợ từ Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, Học bổng Nghiên cứu Sloan, Quỹ Khoa học Quốc gia, Phòng thí nghiệm Truyền thông MIT và Hội đồng chức danh GS Doherty trong Khai thác Đại dương.

Theo SciTech