바다 어디에서나 사진을 찍을 수 있는 수중 카메라를 상상해 보십시오. 지금까지 수중 카메라의 사용은 제한적이었습니다. 일부는 전원 케이블에 연결해야 합니다. 다른 사람들은 오래 지속되지 않는 경향이 있는 배터리에 의존합니다. 이러한 한계로 인해 과학자들은 대부분의 해양 세계를 탐험하지 못했습니다. 그러나 이제 연구자들은 이러한 문제를 해결할 방법을 찾았습니다. 그들은 바다 소리와 같은 소리로 새 카메라에 전원을 공급하고 있습니다.
전원 코드 및 배터리 수명의 한계에서 수중 카메라를 해방하면 바다의 숨겨진 세계를 훨씬 더 많이 모니터링할 수 있습니다. Waleed Akbar는 바다가 “기후 변화의 가장 큰 동인”임을 명심하십시오. “당신이 그것에 대해 거의 알지 못한다는 사실은 놀랍고 동시에 놀랍습니다.”
Akbar는 새 카메라를 만드는 데 도움을 준 전기 공학 대학원생입니다. 케임브리지에 있는 매사추세츠 공과대학(MIT)의 그와 그의 동료들은 이 혁신을 9월 26일 Nature Communications에 설명했습니다.
Akbar는 언젠가 생물학자들이 이 카메라를 사용하여 산호초를 감시하기를 희망합니다. 양식업자는 가축의 성장과 건강을 추적하는 데 사용할 수 있습니다. 그리고 시간이 조금 더 지나면 카메라는 지구 밖에서도 사용할 수 있습니다. 우주선은 사운드 기반 카메라에 의존하여 토성의 위성 엔셀라두스의 바다를 탐험할 수 있습니다.
Zhiqun Daniel Deng은 우주에서 그러한 카메라의 가치에 대해 확신하지 못하지만 이 시스템이 유용할 것이라고 생각합니다. Deng은 워싱턴주 Richland에 있는 Pacific Northwest National Laboratory에서 근무합니다. 그는 새로운 연구에 참여하지 않은 엔지니어이자 해양 과학자입니다. 오늘날 수중에서 정보를 보내는 것은 많은 에너지를 사용한다고 그는 지적합니다. 새로운 카메라는 그것을 극복할 수 있습니다. 그래서 그는 “감동을 받았습니다.”라고 말합니다.
소리로 구동
카메라에는 바닥에 두 개의 센서가 있습니다. 각각은 압전(Pee-AY-zoh-ee-LEK-trik) 재료의 여러 층으로 구성됩니다. 소리가 물을 통과할 때 압력파가 생성됩니다. 이로 인해 센서의 재료가 진동합니다. 그리고 압전 재료는 이러한 진동을 전기 에너지로 변환합니다. 슈퍼커패시터는 이 에너지를 저장합니다. 커패시터는 재사용 가능한 배터리(전기장에 에너지를 저장하는 배터리)에 비유할 수 있습니다.
커패시터에 충분한 에너지가 있으면 카메라를 켜고 사진을 찍습니다. 그런 다음 두 번째 센서가 더 많은 소리 에너지를 활용하여 카메라의 이미지를 소리로 일부 수중 마이크 또는 수신기에 전달합니다. 이러한 방식으로 센서는 카메라에 전원을 공급할 뿐만 아니라 이미지를 전달하는 데이터를 브로드캐스트합니다.
바다는 시끄럽다. 이는 새 카메라를 위한 전원 공급원이 항상 준비되어 있음을 보장합니다. 헤엄치는 물고기부터 지나가는 배까지 모든 소리에 동력을 공급할 수 있습니다. 그런데 왜 센서가 두 개일까요? 하나는 카메라를 위한 에너지 수집에 집중하고 다른 하나는 커뮤니케이션에 집중할 수 있다고 Akbar는 말합니다. 두 센서 모두 에너지 하베스팅 또는 이미지 브로드캐스팅을 수행할 수 있습니다.
시스템을 재충전하는 데 걸리는 시간은 전원을 공급하는 소리가 얼마나 크고 가까운지에 따라 달라집니다. 상당히 조용한 환경에서는 각 이미지를 촬영하기 전에 카메라를 충전하는 데 시간이 더 오래 걸립니다(약 10~12초). 개선된 센서를 통해 Akbar는 카메라가 100미터(약 325피트) 이상 떨어진 곳에서 소리를 사용해도 1초 이내에 충전되기를 희망합니다.
사운드를 사용하여 카메라를 실행하고 이미지를 전송하면 새 시스템의 비용과 전력 요구 사항이 낮아집니다. Akbar는 그의 팀이 카메라를 만드는 데 드는 비용이 약 300달러에 불과하다고 말했습니다.
사진 찍기
프로토타입을 위해 MIT 팀은 수중 스피커의 소음으로 시스템을 구동했습니다.
이미지를 기록하기 위해 카메라는 일련의 빨간색, 파란색 및 녹색 표시등을 깜박입니다. 그런 다음 시스템은 보는 것을 단일 컬러 사진으로 결합합니다. 온보드 광원을 사용하면 바다의 어두운 부분에서 일어나는 일을 보는 데 정말 도움이 된다고 Akbar는 말합니다.
통신을 위해 카메라에는 내부 스위치가 있습니다. 센서가 방송을 위해 들어오는 에너지(사운드)를 사용하는지 여부를 제어합니다. 그 스위치는 마치 거울이 제 위치로 왔다 갔다 하는 것과 같습니다. 실제로 거울처럼 각 센서는 들어오는 소리를 반사할 수 있습니다. 작은 “거울”이 위치를 벗어나면 센서가 들어오는 소리를 단순히 흡수합니다. 그 작은 “거울”이 제자리에 있으면 시스템은 반사음을 사용하여 사진의 디지털 데이터를 대기 중인 마이크로 전달합니다.
그 수중 수신기는 카메라의 방송을 포착하고 데이터를 이미지로 조합합니다. 그리고 그것으로 — 짜잔 — 수중 사진 촬영이 완료되었습니다.