Undervattensmiljön kan för det mänskliga ögat se ut som en matt-blå, funktionslöst utrymme. Dock, ett vidsträckt landskap av polarisationsmönster dyker upp när det ses genom en kamera som är utformad för att se världen genom ögonen på många av de djur som bor i vattnet.

University of Illinois forskare har utvecklat en undervattens GPS-metod genom att använda polarisationsinformation som samlats in med en bioinspirerad kamera som efterliknar ögonen på mantisräkan. Resultaten, publiceras i Vetenskapens framsteg , är de första som demonstrerar passiv undervattens-GPS med hjälp av undervattensljusets polarisationsegenskaper. Denna teknik kan öppna nya möjligheter för undervattensnavigering och förståelse av marina djurs migrerande beteende.

Kameran, en variant av en polarisationsbildare som heter Mantis Cam efter räkan som inspirerade den, drar fördel av hur ljuset bryts, eller böjar, när den passerar genom vattenytan och studsar från partiklar och vattenmolekyler.

"Vi samlade in undervattenspolarisationsdata från hela världen i vårt arbete med marinbiologer och märkte att vattnets polarisationsmönster ständigt förändrades, " sa studieledaren Viktor Gruev, en Illinois-professor i elektro- och datorteknik och en professor vid Carle Illinois College of Medicine. "Detta stod i skarp kontrast till vad biologer tyckte om undervattenspolarisationsinformation. De trodde att mönstren var ett resultat av en kamerafel, men vi var ganska säkra på vår teknik, så jag visste att detta fenomen berättigade ytterligare utredning."

Efter att ha återvänt till labbet, Gruev och doktorand och medförfattare Samuel Powell fastställde att polarisationsmönstren under vattnet är ett resultat av solens position i förhållande till platsen där inspelningarna samlades in. De fann att de kan använda undervattenspolarisationsmönstren för att uppskatta solens kurs och höjdvinkel, så att de kan ta reda på sina GPS-koordinater genom att känna till datum och tid för inspelningen.

"Vi testade vår undervattens-GPS-metod genom att para ihop vår bioinspirerade kamera med en elektronisk kompass och lutningssensor för att mäta undervattenspolarisationsdata på en mängd olika platser runt om i världen, djup, vindförhållanden och tider på dygnet, sade Gruev, som också är knuten till Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid University of Illinois. "Vi fann att vi kan lokalisera vår position på planeten inom en noggrannhet av 61 km."

Denna teknik kan öppna upp nya sätt för människor och robotar att bättre navigera under vattnet med hjälp av visuella signaler från polariserat ljus. "Vi skulle kunna använda vår undervattens-GPS-metod för att hitta försvunna flygplan, eller till och med skapa en detaljerad karta över havsbotten, ", sa Powell. "Robotsvärmar utrustade med våra sensorer skulle kunna tillhandahålla ett billigt sätt för fjärranalys under vattnet - det skulle säkert vara mer kostnadseffektivt än nuvarande metoder."

Denna forskning kan också leda till nya insikter om många marina arters migrerande beteende.

"Djur som sköldpaddor och ål, till exempel, använder förmodligen en massa sensorer för att navigera sina årliga migrationsrutter som tar dem tusentals mil över oceanerna, "Sade Gruev. "Dessa sensorer kan innehålla en kombination av magnetiska, lukt och möjligen - som vår forskning antyder - visuella signaler baserade på polarisationsinformation."

En annan aspekt av denna teknik är dess potential att hjälpa forskare att förstå hur föroreningar kan förändra migrationsvägarna för djur som är känsliga för polariserat ljus.

"Det är mycket troligt att ökade föroreningar i luften och vattnet förändrar undervattenspolarisationsmönster, vilket gör att undervattensmiljön ser annorlunda ut än vad många djur har lärt sig, ", sa Gruev. "Vår GPS-metod under vattnet kan ge insikter om hur vissa långväga migrerande djur, som valar, kan bli förvirrad och hamna på fel ställen."

Till exempel, more whales are becoming stranded close to the California shore, where they have never been observed before, Gruev said. "Perhaps pollutions is the indirect culprit for this reason, as it affects the underwater polarization patterns necessary for migratory behavior."