Giới khoa học ước lượng phần đại dương trên Trái Đất chưa được con người khám phá chiếm tới 95%. Tức chúng ta quan sát vùng tối của Mặt Trăng và bề mặt Sao Hỏa còn nhiều hơn quan sát đại dương trên chính hành tinh của mình.
Camera hoạt động dưới nước không dây và không cần pin này có thể giúp các nhà khoa học khám phá những vùng biển chưa hề được biết đến, truy vết ô nhiễm, hay theo dõi các tác động của biến đổi khí hậu - Ảnh: Adam Glanzman
Tiếp điện cho camera hoạt động dưới nước, dù bằng dây cáp nối với tàu ngầm hay cho thuyền đến sạc pin, là thách thức lớn nhất cản bước chúng ta thám hiểm vùng nước sâu thẳm.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã có giải pháp: phát triển loại camera quay dưới nước không dây, không pin với hiệu suất năng lượng cao gấp 100.000 lần các loại camera dưới nước khác. Thiết kế này có thể chụp được ảnh màu tại những nơi thiếu sáng nhất và truyền vô tuyến dữ liệu hình ảnh qua nước.
Camera tự hành dùng sóng âm làm cơ chế sạc điện. Năng lượng cơ học từ sóng âm trong nước sẽ chuyển thành điện năng cung cấp cho các bộ phận chụp ảnh và truyền tín hiệu. Sau khi chụp ảnh và mã hóa dữ liệu hình ảnh, camera cũng dùng sóng âm để đưa dữ liệu đó tới bộ thu có khả năng tái lập hình ảnh chụp được.
Bởi không cần nguồn năng lượng, camera này có thể tự vận hành nhiều tuần liền trước khi được trục vớt. Các nhà khoa học vì vậy có thể tha hồ soi các vùng nước sâu thẳm nhất nhằm tìm ra các loài mới. Camera còn có thể dùng để chụp ảnh ô nhiễm biển hay theo dõi tình trạng sức khoẻ và sinh trưởng của các loài cá nuôi.
Fadel Adib là phó giáo sư Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, Giám đốc Ban Động học Tín hiệu, cũng là tác giả chính của bài nghiên cứu. Adib phát biểu: “Một trong những ứng dụng thú vị nhất của chiếc camera này, theo tôi, chính là theo dõi khí hậu. Chúng ta lập hết mô hình khí hậu này đến mô hình khí hậu khác mà lại không có chút dữ liệu nào về 95% vùng đại dương. Công nghệ này sẽ giúp ta xây dựng các mô hình chính xác hơn, từ đó hiểu rõ biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến sự sống dưới nước.”
Đồng tác giả nghiên cứu là Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, và Osvy Rodriguez - trợ tá nghiên cứu Ban Động học Tín hiệu - cùng nhà nghiên cứu Unsoo Ha và 2 cựu thành viên của Ban là Mario Doumet và Reza Ghaffarivardavagh. Bài nghiên cứu được công bố trong tạp chí Nature Communications.
Camera không cần pin
Để có thể chế tạo một loại camera có khả năng tự hành trong thời gian dài, nhóm nghiên cứu cần tìm cách giúp máy có thể tự thu năng lượng từ dưới nước và sử dụng năng lượng đó ở mức tối thiểu.
Thiết kế này được bao quanh bởi các bộ chuyển đổi năng lượng làm từ vật liệu áp điện, tức là những vật liệu có khả năng sinh ra điện khi chịu một lực tác dụng cơ học. Khi sóng âm truyền qua môi trường nước và tác động đến bộ chuyển đổi, chúng rung lên, rung động đó lập tức chuyển thành điện năng. Sóng âm có thể đến từ bất kỳ nguồn nào, từ một con tàu chạy ngang qua cho đến các loài sinh vật bơi trong lòng biển. Camera trữ sẵn nguồn điện năng đó cho đến khi đạt đủ mức thì sẽ tiếp điện cho các bộ phận chụp ảnh và truyền dữ liệu.
Nhằm giảm thiểu mức sử dụng điện, nhóm nghiên cứu sử dụng loại cảm biến hình ảnh tiêu thụ ít điện có sẵn. Song, các cảm biến này chỉ ghi được hình ảnh xám. Bởi phần lớn đại dương không được chiếu sáng, nhóm nghiên cứu cũng phải phát triển một loại đèn flash tiêu thụ ít điện.
Adib nói: “Chúng tôi cố làm nhẹ phần cứng hết mức có thể nên phải đối diện với các giới hạn về chuyện xây dựng hệ thống, truyền thông tin, cũng như tái lập hình ảnh. Cần phải có óc sáng tạo mới giải quyết được bài toán khó nhằn này.”
Và họ đã làm được điều đó nhờ cùng lúc sử dụng 3 loại đèn LED đỏ, xanh dương, và xanh lá. Khi camera chụp một hình ảnh nào đó, đèn flash đỏ sẽ chiếu sáng và cảm biến thu hình ảnh. Rồi hai loại đèn còn lại lần lượt chiếu sáng và cảm biến tiếp tục thu nhận hai hình ảnh nữa. Những hình ảnh này tuy là ảnh đen trắng nhưng các ánh flash đỏ, xanh dương, và xanh lá sẽ được phản chiếu vào các điểm màu trắng trong ảnh. Khi dữ liệu hình ảnh được tổng hợp ở khâu hậu xử lý, ảnh màu sẽ được tái lập.
Akbar giải thích: “Khi còn là những đứa trẻ theo học tại các lớp mỹ thuật, chúng tôi được dạy rằng ta có thể tạo nên bất kỳ màu nào từ 3 màu cơ bản. Hình ảnh trên máy tính cũng vậy. Chúng ta chỉ cần đỏ, xanh dương, và xanh lá là đã có thể tái lập được hình ảnh đầy đủ màu sắc.”
Truyền dữ liệu bằng sóng âm
Dữ liệu hình ảnh được ghi nhận sẽ chuyển sang tín hiệu bit (các dãy 0 và 1) rồi được truyền sang bộ thu từng bit một bằng phương pháp tán xạ ngược dưới nước. Bộ thu phát đi sóng âm vào nước đến chỗ camera. Nhận được sóng âm, camera hoặc phản xạ lại sóng âm cho bộ thu hoặc điều chỉnh góc gương để hấp thụ sóng âm đó.
Kế bên bộ thu, đầu thu sóng âm sẽ phát hiện xem tín hiệu có được phản xạ hay không. Nếu có tín hiệu phản xạ, bộ thu sẽ ghi nhận bit 1, còn nếu không thì đó là bit 0. Từ các dãy 1 và 0 này, hệ thống sẽ tái lập và hậu xử lý hình ảnh.
Sayed Saad Afzal cho biết: “Vì cả quy trình này chỉ cần một công tắc giúp điều chỉnh sao cho thiết bị hoặc phản xạ hoặc không phản xạ sóng âm, năng lượng tiêu thụ sẽ chỉ còn bằng 1/5 so với các hệ thống truyền tin dưới nước thông thường.”
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm camera ở một vài môi trường nước cụ thể. Họ có thể chụp được ảnh màu các chai nhựa trôi nổi trong lòng hồ ở Bang New Hampshire, Mỹ. Hình ảnh chụp được tương phản đến độ thấy rõ những nốt sần nhỏ trên cánh các con sao biển ở vùng Châu Phi. Khả năng chụp ảnh trong điều kiện thiếu sáng cũng rất cao khi máy có thể chụp được một cá thể Aponogeton ulvaceus (loài thực vật họ Thuỷ ung, sống dưới nước sâu) suốt một tuần nhằm theo dõi độ tăng trưởng.
Giờ đây, khi đã có bản mẫu hoạt động được, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch cải tiến hơn nữa, giúp camera có thể vận hành được trong môi trường thực tế. Nhóm cũng muốn tăng dung lượng bộ nhớ, giúp máy có thể chụp tức khắc, tải ảnh tức thì, hay thậm chí là quay được video dưới nước.
Nhóm cũng muốn mở rộng tầm thu phát của camera. Hiện tại, dữ liệu có thể truyền được tốt trong bán kính 40 mét từ bộ thu; nếu mở rộng tầm thu phát, camera còn có thể khám phá nhiều vùng nước sâu hơn nữa.
Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)