Forskare uppskattar att mer än 95 procent av jordens hav aldrig har observerats, vilket betyder att vi har sett mindre av vår planets hav än vi har den bortre sidan av månen eller Mars yta.

Den höga kostnaden för att driva en undervattenskamera under lång tid, genom att koppla den till ett forskningsfartyg eller skicka ett fartyg för att ladda batterierna, är en brant utmaning som förhindrar utbredd undervattensutforskning.

MIT-forskare har tagit ett stort steg för att övervinna detta problem genom att utveckla en batterifri, trådlös undervattenskamera som är cirka 100 000 gånger mer energieffektiv än andra undervattenskameror. Enheten tar färgfoton, även i mörka undervattensmiljöer, och överför bilddata trådlöst genom vattnet.

Den autonoma kameran drivs av ljud. Den omvandlar mekanisk energi från ljudvågor som färdas genom vatten till elektrisk energi som driver dess bild- och kommunikationsutrustning. Efter att ha tagit och kodat bilddata använder kameran även ljudvågor för att överföra data till en mottagare som rekonstruerar bilden.

Eftersom den inte behöver en strömkälla kan kameran köras i veckor i sträck innan den hämtas, vilket gör det möjligt för forskare att söka efter nya arter på avlägsna delar av havet. Den kan också användas för att ta bilder av havsföroreningar eller övervaka hälsan och tillväxten hos fisk som föds upp i vattenbruksodlingar.

"En av de mest spännande tillämpningarna av den här kameran för mig personligen är i samband med klimatövervakning. Vi bygger klimatmodeller, men vi saknar data från över 95 procent av havet. Denna teknik kan hjälpa oss att bygga mer exakta klimatmodeller och bättre förstå hur klimatförändringar påverkar undervattensvärlden", säger Fadel Adib, docent vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap och chef för Signal Kinetics-gruppen i MIT Media Lab, och senior författare till artikeln.

Med Adib på tidningen är medförfattare och Signal Kinetics-gruppens forskningsassistenter Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar och Osvy Rodriguez, samt forskaren Unsoo Ha och tidigare gruppforskare Mario Doumet och Reza Ghaffarivardavagh. Uppsatsen publiceras i Nature Communications .

Blir batterifri

För att bygga en kamera som kunde fungera autonomt under långa perioder behövde forskarna en enhet som kunde skörda energi under vattnet på egen hand samtidigt som den förbrukade mycket lite ström.

Kameran får energi med hjälp av givare gjorda av piezoelektriska material som placeras runt dess utsida. Piezoelektriska material producerar en elektrisk signal när en mekanisk kraft appliceras på dem. När en ljudvåg som färdas genom vattnet träffar givarna vibrerar de och omvandlar den mekaniska energin till elektrisk energi.

Dessa ljudvågor kan komma från vilken källa som helst, som ett passerande fartyg eller marint liv. Kameran lagrar skördad energi tills den har byggts upp tillräckligt för att driva elektroniken som tar bilder och kommunicerar data.

För att hålla strömförbrukningen så låg som möjligt använde forskarna vanliga, ultralågeffektsavbildningssensorer. Men dessa sensorer fångar bara bilder i gråskala. Och eftersom de flesta undervattensmiljöer saknar en ljuskälla behövde de också utveckla en blixt med låg effekt.

"Vi försökte minimera hårdvaran så mycket som möjligt, och det skapar nya begränsningar för hur man bygger systemet, skickar information och utför bildrekonstruktion. Det krävdes en hel del kreativitet för att ta reda på hur man gör detta," Adib säger.

De löste båda problemen samtidigt med röda, gröna och blå lysdioder. När kameran tar en bild lyser den med en röd lysdiod och använder sedan bildsensorer för att ta bilden. Den upprepar samma process med gröna och blå lysdioder.

Även om bilden ser svartvit ut, reflekteras det röda, gröna och blå ljuset i den vita delen av varje foto, förklarar Akbar. När bilddata kombineras i efterbehandling kan färgbilden rekonstrueras.

"När vi var barn i konstklass fick vi lära oss att vi kunde göra alla färger med tre grundfärger. Samma regler följer för färgbilder som vi ser på våra datorer. Vi behöver bara rött, grönt och blått - dessa tre kanaler - att konstruera färgbilder", säger han.

Skicka data med ljud

När bilddata har tagits in, kodas de som bitar (1s och 0s) och skickas till en mottagare en bit i taget med hjälp av en process som kallas undervattensbackscatter. Mottagaren sänder ljudvågor genom vattnet till kameran, som fungerar som en spegel för att reflektera dessa vågor. Kameran reflekterar antingen en våg tillbaka till mottagaren eller ändrar sin spegel till en absorbator så att den inte reflekteras tillbaka.

En hydrofon bredvid sändaren känner av om en signal reflekteras tillbaka från kameran. Om den tar emot en signal är det en bit-1, och om det inte finns någon signal är det en bit-0. Systemet använder denna binära information för att rekonstruera och efterbehandla bilden.

"Hela den här processen, eftersom den bara kräver en enda switch för att omvandla enheten från ett icke-reflekterande tillstånd till ett reflekterande tillstånd, förbrukar fem storleksordningar mindre ström än typiska undervattenskommunikationssystem", säger Afzal.

Forskarna testade kameran i flera undervattensmiljöer. I den ena fångade de färgbilder av plastflaskor som flyter i en damm i New Hampshire. De kunde också ta så högkvalitativa bilder av en afrikansk sjöstjärna att små tuberklar längs armarna var tydligt synliga. Enheten var också effektiv för att upprepade gånger avbilda undervattensväxten Aponogeton ulvaceus i en mörk miljö under loppet av en vecka för att övervaka dess tillväxt.

Nu när de har demonstrerat en fungerande prototyp planerar forskarna att förbättra enheten så att den är praktisk att använda i verkliga miljöer. De vill utöka kamerans minne så att den kan ta bilder i realtid, streama bilder eller till och med filma undervattensvideo.

De vill också utöka kamerans räckvidd. De överförde framgångsrikt data 40 meter från mottagaren, men genom att skjuta det räckvidden bredare skulle kameran kunna användas i mer undervattensmiljöer. + Utforska vidare

På sin jakt efter mörk energi stannade ett teleskop för att titta på hummernebulosan