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- 물의 진동을 전기로 변환하는 압전소자에서 에너지를 끌어와
- 기존 카메라보다 훨씬 더 경제적으로 작동하기 때문에 가능
- 신호를 전달하는 음향 신호를 흡수하거나 반사해 수동적으로 데이터를 인코딩
- 해양 오염을 연구하거나 희귀종을 관찰하는 데 유용

배터리나 케이블이 없는 수중 카메라
초절전 미니카메라는 주변의 음향 에너지를 사용해 기록 및 전송한다.

물에서 얻는 에너지:
미국 연구원들이 바다에서 배터리를 교체하지 않고 독립적으로 작동할 수 있는 수중 녹화용 소형 카메라를 제작했다. 이것은 장치가 물의 진동을 전기로 변환하는 압전 소자에서 에너지를 끌어오고 기존 카메라보다 훨씬 더 경제적으로 작동하기 때문에 가능하다. 소리 신호를 직접 후방 산란시켜 수동적으로 데이터를 전송한다. 

▲ 이 작은 수중 카메라는 배터리나 외부 전원 공급 장치 없이 작동한다. © Adam Glanzman/ MIT

이것들이 우리 행성의 많은 부분을 덮고 있지만, 바다는 매핑되고 탐험된 극히 일부에 불과하다. 해양 생물 인구 조사와 같은 대규모 "인구조사"도 거의 변경되지 않았다. 그 이유 중 하나는 외부 전원 공급 없이 많은 수의 센서와 카메라를 바다에 배치하기 어렵기 때문이다. 지금까지 이러한 장치는 배터리로 작동한 다음 작동 시간이 제한적이거나 선박에서 케이블을 통해 공급되므로 바다 지역에 대한 간략한 인상만 제공한다.

진동을 전원으로 활용

이제 MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Sayed Saad Afzal과 그의 동료들이 배터리나 전원 케이블과 완전히 독립적으로 작동할 수 있는 수중 카메라를 개발했다. 이것은 두 가지 기술의 조합으로 가능하다. 첫 번째는 기계적 진동을 전기로 변환할 수 있는 압전소자를 이용한 발전이다. 이것은 진동으로 인한 원소의 전하 이동에 의해 수행된다.

예를 들어 선박, 바다 생물 또는 수중 음파 탐지기의 소리 신호가 물을 진동시키고 압전변환기에 부딪히면 작은 슈퍼커패시터를 충전하는 전기 에너지를 생성한다. 이 전기는 카메라에 전원을 공급하는 데 사용된다. 그러나 이것은 일반적인 컬러 카메라가 아닌 특히 에너지 효율적으로 설계되어야 한다.

▲ 수중 카메라의 구조. © Afzal et al./ Nature Communications, CC-by 4.0

흑백 센서가 컬러 사진을 찍는다.

MIT 수석 저자인 Fadel Adib은 "우리는 하드웨어를 가능한 한 최소화해야 했으며 이를 위해서는 많은 창의성이 필요했다"고 설명했다. 특히 경제적인 디지털 이미지 센서는 흑백 이미지만 만들 수 있지만 컬러 이미지가 필요했기 때문이다. 어두운 수중 세계에서 카메라는 무엇이든 볼 수 있도록 대상 물체를 비출 수 있어야 하며 이를 위해서는 전기도 필요하다.

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 흑백 이미지 센서와 빨강, 녹색, 파랑의 3가지 LED를 결합했다. 물체가 이미지화되면 센서가 한 번에 이미지를 생성하는 동안 3색 LED가 차례로 켜진다. 이 이미지의 색상 성분은 물체의 색상에 따라 흡수 및 반사되는 정도가 다르기 때문에 3개의 흑백 이미지가 다르며 나중에 특수 소프트웨어를 사용해 다시 결합하면 컬러 이미지를 만들 수 있다. 원칙적으로 LED 텔레비전의 컬러 이미지와 유사하다.

후방 산란을 이용한 데이터 전송

그리고 해결해야 할 또 다른 문제가 있었다. 수중 카메라에서 해수면으로 데이터를 전송하는 것이었다. 이를 위해 MIT 연구원들은 이미 전자 광고 포스터와 배터리가 없는 휴대폰에 사용된 기술을 사용했다. 데이터를 전송하는 전파 또는 기타 신호를 능동적으로 생성하는 대신, 새로운 카메라를 통한 데이터 전송은 후방 산란 기술을 기반으로 한다. 즉, 신호를 전달하는 음향 신호를 흡수하거나 반사해 수동적으로 데이터를 인코딩한다.

이를 위해 수신기(예: 바다 표면의 부표)가 수중 카메라에 무선을 전송한다. 압전 모듈은 신호를 반사하고 소리를 0으로 흡수하고 1로 반사하여 0과 1의 형태로 신호에 디지털 이미지 정보를 각인한다. 수신 부표는 수중 마이크를 통해 이 반사된 신호를 캡처하고 디코딩할 수 있다.

"이 전체 프로세스는 흡수와 반사 사이를 전환하는 단일 스위치만 필요하다"고 Afzal은 설명한다. "결과적으로 일반적인 수중 통신 시스템에 필요한 100만분의 1의 전력만 사용한다.”

▲ 카메라 프로토타입의 첫 번째 샷. © Afzal et al./ Nature Communications, CC-by 4.0

첫 번째 테스트 성공

첫 번째 실제 테스트에서 과학자들은 연못에서 새 카메라를 테스트했으며 연못 바닥에 있는 플라스틱 폐기물을 조사했. 또 다른 테스트에서 카메라는 일주일 동안 수생 식물 Aponogeton ulvaceus의 성장을 기록하고 불가사리의 고해상도 이미지를 생성했다. "이 모든 테스트에서 프로토타입 카메라는 케이블이나 배터리 없이 완전히 물속에 잠겨 자율적으로 작동했다"고 팀은 강조했다.

Afzal과 그의 동료에 따르면 이러한 자급자족하고 비교적 저렴한 수중 카메라는 미래에 해양 세계를 탐험할 수 있는 새로운 기회를 창출할 수 있다. 양식업에서 물고기를 모니터링하는 것만큼 해양 오염을 연구하거나 희귀종을 관찰하는 데 유용할 것이다. 이러한 임무에 적합한 카메라를 만들기 위해 그들은 이미 장치의 저장 용량과 범위를 확장하기 위해 노력하고 있다. 지금까지 후자는 40미터에 불과했다.
(nature communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-33223-x)
출처: MIT

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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