Insinyur MIT Rancang Kamera Bawah Air Nirkabel Tanpa Baterai

Liputan6.com, Jakarta - Para ilmuwan memperkirakan bahwa lebih dari 95 persen lautan di Bumi belum pernah diamati. Itu berarti kita telah melihat lebih sedikit lautan planet kita daripada kita melihat sisi jauh bulan atau permukaan Mars.

Tingginya biaya untuk menyalakan kamera bawah air untuk durasi yang lama, dengan menambatkannya ke kapal penelitian atau mengirim kapal untuk mengisi ulang baterainya, adalah tantangan berat yang mencegah eksplorasi bawah laut secara luas.

Para insinyur di MIT telah mengambil langkah besar untuk mengatasi masalah ini; mereka mengembangkan kamera bawah air nirkabel tanpa baterai yang sekitar 100.000 kali lebih hemat energi daripada kamera bawah laut lainnya.

Perangkat ini mengambil foto berwarna, bahkan di lingkungan bawah air gelap sekalipun, dan mengirimkan data gambar secara nirkabel melalui air. Kamera otonom ini didukung oleh suara.

Ia mengubah energi mekanis dari gelombang suara yang bergerak melalui air menjadi energi listrik yang memberi daya pada peralatan pencitraan dan komunikasinya. Setelah menangkap dan menyandikan data gambar, kamera juga menggunakan gelombang suara untuk mengirimkan data ke penerima yang merekonstruksi gambar.

Karena tidak memerlukan sumber daya, kamera dapat berfungsi selama berpekan-pekan. Dengan demikian, para ilmuwan antara lain dapat terbantu dalam mencari spesies baru di bagian laut terpencil. Selain itu, kamera bawah air ini berguna untuk menangkap gambar polusi laut atau memantau kesehatan dan pertumbuhan ikan yang dibesarkan di peternakan akuakultur.

"Salah satu penerapan kamera ini yang paling menarik bagi saya pribadi adalah dalam konteks pemantauan iklim. Kita sedang membangun model iklim, tetapi kita kehilangan data dari lebih dari 95 persen lautan. Teknologi ini dapat membantu kami membangun model iklim yang lebih akurat dan lebih memahami bagaimana perubahan iklim berdampak pada dunia bawah laut," kata Fadel Adib, profesor di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer dan direktur kelompok Signal Kinetics di MIT Media Lab, dan penulis senior makalah baru tentang sistem ini via MIT News.

Bersama Adib dalam makalah ini adalah rekan penulis utama dan asisten peneliti kelompok Signal Kinetics, Sayed Saad Afzal, Waleed Akbar, dan Osvy Rodriguez, serta ilmuwan riset Unsoo Ha, serta Mario Doumet dan Reza Ghaffarivardavagh. Makalah tersebut terbit di Nature Communications.

Untuk membangun kamera yang dapat berfungsi secara otonom untuk jangka waktu lama, para peneliti membutuhkan perangkat yang dapat memanen energi di bawah air dengan sendirinya sambil mengonsumsi sangat sedikit daya.

Kamera memperoleh energi menggunakan transduser dari bahan piezoelektrik yang ditempatkan di sekitar eksteriornya. Bahan piezoelektrik menghasilkan sinyal listrik ketika gaya mekanis diterapkan pada kamera. Ketika gelombang suara yang bergerak melalui air mengenai transduser, transduser akan bergetar dan mengubah energi mekanik itu menjadi energi listrik.

Gelombang suara itu bisa berasal dari sumber apa pun, seperti kapal yang lewat atau kehidupan laut. Kamera menyimpan energi yang dipanen sampai energi itu cukup untuk memberi daya pada elektronik yang mengambil foto dan mengkomunikasikan data.

Untuk menjaga konsumsi daya serendah mungkin, para peneliti menggunakan sensor pencitraan berdaya sangat rendah yang tersedia di pasaran. Namun, sensor-sensor itu hanya menangkap gambar hitam putih (grayscale). Selain itu, karena sebagian besar lingkungan bawah air tidak memiliki sumber cahaya, mereka juga perlu mengembangkan lampu kilat berdaya rendah.

"Kami mencoba meminimalkan perangkat keras sebanyak mungkin, dan itu menciptakan kendala baru tentang cara membangun sistem, mengirim informasi, dan melakukan rekonstruksi gambar. Diperlukan kreativitas yang cukup tinggi untuk mencari cara melakukan ini," kata Adib.

Mereka memecahkan kedua masalah secara bersamaan dengan menggunakan LED merah, hijau, dan biru. Apabila kamera menangkap gambar, kamera akan menyinari LED merah dan kemudian menggunakan sensor gambar untuk mengambil foto. Ini mengulangi proses yang sama dengan LED hijau dan biru.

Meskipun gambar terlihat hitam dan putih, cahaya berwarna merah, hijau, dan biru tecermin pada bagian putih dari setiap foto, Akbar menjelaskan. Ketika data gambar digabungkan dalam pasca-pemrosesan, gambar berwarna dapat direkonstruksi.

"Ketika kita masih kecil di kelas seni, kita diajarkan bahwa kita bisa membuat semua warna menggunakan tiga warna dasar. Aturan yang sama berlaku untuk gambar berwarna yang kita lihat di komputer kita. Kita hanya perlu merah, hijau, dan biru untuk membangun gambar berwarna," katanya.

Setelah data gambar ditangkap, data itu dikodekan sebagai bit (1 dan 0) dan dikirim ke penerima satu bit pada satu waktu menggunakan proses yang disebut hamburan balik bawah air.

Penerima mentransmisikan gelombang suara melalui air ke kamera, yang bertindak sebagai cermin untuk memantulkan gelombang tersebut. Kamera memantulkan gelombang kembali ke penerima atau mengubah cerminnya menjadi penyerap sehingga tidak memantulkan kembali.

Hidrofon di samping pemancar mendeteksi jika sinyal dipantulkan kembali dari kamera. Jika menerima sinyal, itu adalah bit-1, dan jika tidak ada sinyal, itu adalah bit-0. Sistem menggunakan informasi biner ini untuk merekonstruksi dan pasca-proses gambar.

"Keseluruhan proses ini, karena hanya memerlukan satu sakelar untuk mengubah perangkat dari keadaan nonreflektif ke keadaan reflektif, mengonsumsi daya lima kali lipat lebih sedikit daripada sistem komunikasi bawah air pada umumnya," kata Afzal.

Para peneliti menguji kamera di beberapa lingkungan bawah air. Di salah satunya, mereka menangkap gambar berwarna dari botol plastik yang mengambang di kolam New Hampshire.

Mereka juga mampu mengambil foto berkualitas tinggi dari bintang laut Afrika sehingga tuberkel kecil di sepanjang lengannya terlihat jelas. Perangkat ini juga efektif untuk berulang kali mencitrakan tanaman bawah air Aponogeton ulvaceus di lingkungan yang gelap selama seminggu untuk memantau pertumbuhannya.

Setelah mendemonstrasikan prototipenya, para peneliti berencana meningkatkan perangkat sehingga praktis untuk digunakan dalam pengaturan dunia nyata. Mereka ingin meningkatkan memori kamera, sehingga bisa menangkap foto secara real-time, streaming gambar, atau bahkan merekam video bawah air.

Mereka juga ingin memperluas jangkauan kamera. Saat ini mereka berhasil mentransmisikan data sejauh 40 meter dari penerima, tetapi mendorong jangkauan yang lebih luas akan memungkinkan kamera untuk digunakan di lebih banyak pengaturan bawah air.

"Ini akan membuka peluang besar untuk penelitian baik dalam perangkat IoT berdaya rendah serta pemantauan dan penelitian bawah air," kata Haitham Al-Hassanieh, asisten profesor teknik elektro dan komputer di University of Illinois Urbana-Champaign, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Penelitian ini sebagian didukung oleh Office of Naval Research, Sloan Research Fellowship, National Science Foundation, MIT Media Lab, dan Doherty Chair in Ocean Utilization.