Les scientifiques estiment que plus de 95 % des océans de la Terre n'ont jamais été observés, ce qui signifie que nous avons vu moins de l'océan de notre planète que la face cachée de la Lune ou la surface de Mars.

Le coût élevé de l'alimentation d'une caméra sous-marine pendant une longue période, en l'attachant à un navire de recherche ou en envoyant un navire recharger ses batteries, est un défi de taille qui empêche l'exploration sous-marine à grande échelle.

Les chercheurs du MIT ont franchi une étape importante pour surmonter ce problème en développant une caméra sous-marine sans fil et sans batterie qui est environ 100 000 fois plus économe en énergie que les autres caméras sous-marines. L'appareil prend des photos couleur, même dans des environnements sous-marins sombres, et transmet les données d'image sans fil à travers l'eau.

La caméra autonome est alimentée par le son. Il convertit l'énergie mécanique des ondes sonores qui traversent l'eau en énergie électrique qui alimente son équipement d'imagerie et de communication. Après avoir capturé et encodé les données d'image, la caméra utilise également des ondes sonores pour transmettre les données à un récepteur qui reconstruit l'image.

Parce qu'elle n'a pas besoin d'une source d'alimentation, la caméra pourrait fonctionner pendant des semaines avant la récupération, permettant aux scientifiques de rechercher de nouvelles espèces dans des régions éloignées de l'océan. Il pourrait également être utilisé pour capturer des images de la pollution des océans ou surveiller la santé et la croissance des poissons élevés dans des fermes aquacoles.

"L'une des applications les plus excitantes de cette caméra pour moi personnellement est dans le contexte de la surveillance du climat. 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 mieux comprendre l'impact du changement climatique sur le monde sous-marin », explique Fadel Adib, professeur agrégé au Département de génie électrique et d'informatique et directeur du groupe Signal Kinetics au MIT Media Lab, et auteur principal de l'article.

Les co-auteurs principaux et les assistants de recherche du groupe Signal Kinetics, Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar et Osvy Rodriguez, ainsi que le chercheur scientifique Unsoo Ha et les anciens chercheurs du groupe Mario Doumet et Reza Ghaffarivardavagh se joignent à Adib sur l'article. L'article est publié dans Nature Communications .

Sans pile

Pour construire une caméra capable de fonctionner de manière autonome pendant de longues périodes, les chercheurs avaient besoin d'un appareil capable de récolter de l'énergie sous l'eau tout en consommant très peu d'énergie.

La caméra acquiert de l'énergie à l'aide de transducteurs fabriqués à partir de matériaux piézoélectriques placés autour de son extérieur. Les matériaux piézoélectriques produisent un signal électrique lorsqu'une force mécanique leur est appliquée. Lorsqu'une onde sonore traversant l'eau frappe les transducteurs, ils vibrent et convertissent cette énergie mécanique en énergie électrique.

Ces ondes sonores peuvent provenir de n'importe quelle source, comme un navire qui passe ou la vie marine. L'appareil photo stocke l'énergie récupérée jusqu'à ce qu'elle ait accumulé suffisamment d'énergie pour alimenter les appareils électroniques qui prennent des photos et communiquent des données.

Pour maintenir la consommation d'énergie aussi faible que possible, les chercheurs ont utilisé des capteurs d'imagerie ultra-basse consommation prêts à l'emploi. Mais ces capteurs ne capturent que des images en niveaux de gris. Et comme la plupart des environnements sous-marins n'ont pas de source de lumière, ils ont également dû développer un flash à faible puissance.

"Nous essayions de minimiser le matériel autant que possible, et cela crée de nouvelles contraintes sur la façon de construire le système, d'envoyer des informations et d'effectuer la reconstruction d'image. Il a fallu une bonne dose de créativité pour comprendre comment faire cela", Adib dit.

Ils ont résolu les deux problèmes simultanément en utilisant des LED rouges, vertes et bleues. Lorsque l'appareil photo capture une image, il fait briller une LED rouge et utilise ensuite des capteurs d'image pour prendre la photo. Il répète le même processus avec des LED vertes et bleues.

Même si l'image semble en noir et blanc, la lumière rouge, verte et bleue se reflète dans la partie blanche de chaque photo, explique Akbar. Lorsque les données d'image sont combinées en post-traitement, l'image couleur peut être reconstruite.

"Quand nous étions enfants en cours d'art, on nous a appris que nous pouvions créer toutes les couleurs en utilisant trois couleurs de base. Les mêmes règles s'appliquent aux images couleur que nous voyons sur nos ordinateurs. Nous avons juste besoin de rouge, de vert et de bleu - ces trois canaux - pour construire des images en couleur », dit-il.

Envoi de données avec son

Une fois les données d'image capturées, elles sont codées sous forme de bits (1 et 0) et envoyées à un récepteur un bit à la fois à l'aide d'un processus appelé rétrodiffusion sous-marine. Le récepteur transmet les ondes sonores à travers l'eau à la caméra, qui agit comme un miroir pour refléter ces ondes. La caméra réfléchit une onde vers le récepteur ou transforme son miroir en absorbeur afin qu'elle ne soit pas réfléchie.

Un hydrophone à côté de l'émetteur détecte si un signal est réfléchi par la caméra. S'il reçoit un signal, c'est un bit-1, et s'il n'y a pas de signal, c'est un bit-0. Le système utilise ces informations binaires pour reconstruire et post-traiter l'image.

"Tout ce processus, puisqu'il ne nécessite qu'un seul interrupteur pour convertir l'appareil d'un état non réfléchissant à un état réfléchissant, consomme cinq ordres de grandeur moins d'énergie que les systèmes de communication sous-marins typiques", explique Afzal.

Les chercheurs ont testé la caméra dans plusieurs environnements sous-marins. Dans l'une, ils ont capturé des images en couleur de bouteilles en plastique flottant dans un étang du New Hampshire. Ils ont également pu prendre des photos d'une telle qualité d'une étoile de mer africaine que de minuscules tubercules le long de ses bras étaient clairement visibles. L'appareil a également été efficace pour imager à plusieurs reprises la plante sous-marine Aponogeton ulvaceus dans un environnement sombre au cours d'une semaine afin de surveiller sa croissance.

Maintenant qu'ils ont démontré un prototype fonctionnel, les chercheurs prévoient d'améliorer l'appareil afin qu'il soit pratique pour un déploiement dans des environnements réels. Ils souhaitent augmenter la mémoire de l'appareil photo afin qu'il puisse capturer des photos en temps réel, diffuser des images ou même filmer des vidéos sous-marines.

Ils veulent également étendre la portée de la caméra. Ils ont réussi à transmettre des données à 40 mètres du récepteur, mais élargir cette portée permettrait à la caméra d'être utilisée dans des environnements plus sous-marins. + Explorer plus loin

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