Нова розумна технологія може допомогти нам скласти карту океанського дна – з неба

Мій друг, який працює в галузі розробки ігор, нещодавно показав мені 3D-модель Землі, відтворену в найдрібніших деталях з використанням точних супутникових даних, так що ми могли б пролітати через каньйони і наші околиці на великій швидкості, як пара суперменів, що ганяють на мотоциклах. “Подивимось, чи зможемо ми спуститись під воду”, – сказав він, натхненний, коли ми пролітали над Тихим океаном.

• Проблема з лідаром, проблеми з гідролокатором
• Що входить до складу PASS
• Те, що лежить під ним

Ми не змогли. Модель, така приголомшливо точна на суші, очевидно, не мала нульових даних для моделювання підводного середовища. Під скляною поверхнею води була невиразна порожнеча, наче це була якась підводна версія “Шоу Трумена”, і ми досягли кінця світу.

Ніхто з нас не був особливо здивований. Шок був би, якби океани були візуалізовані. Звідки б взялася ця інформація? І наскільки вона була б точною? Це означало б, що творці моделі знають щось таке, чого не знають навіть найвидатніші океанографи світу.

Попри весь виправданий ажіотаж навколо дослідження космосу в 2020-х роках (Ілон Маск “абсолютно впевнений”, що люди будуть запускати ракети до Марса до 2026 року), океани нашої планети залишаються значною мірою незвіданою і невідомою областю, яка знаходиться набагато ближче до дому. Вода покриває близько 71 відсотка поверхні Землі, а прісна вода, яку ми п’ємо, становить мізерні 3 відсотки, що трохи більше, ніж похибка округлення. Але переважна більшість Світового океану – до 95 відсотків – є недослідженою таємницею.

І хоча ми ще дуже далекі від еквівалента Google Street View для підводного світу, новий проект, над яким працюють дослідники зі Стенфордського університету, може прокласти шлях до такої можливості в майбутньому – і не лише до неї – і до багато чого іншого. Уявіть собі можливість пролетіти на літаку над ділянкою води і побачити з абсолютною чіткістю те, що ховається під хвилями.

Звучить неможливо. Як виявляється, це просто дуже і дуже складно.

Проблема з лідаром, проблеми з гідролокатором

“Зображення підводного середовища з бортової системи є складним завданням, але воно має багато потенційних застосувань”, – розповів Digital Trends Ейдан Джеймс Фіцпатрік, аспірант кафедри електротехніки Стенфордського університету.

Очевидним кандидатом на цю роботу є лідар. Лідар – це лазерна технологія, найбільш відома тим, що допомагає автономним транспортним засобам (не Tesla) сприймати навколишній світ. Вона працює шляхом випромінювання імпульсних світлових хвиль, а потім вимірювання того, як довго вони відбиваються від об’єктів і повертаються до сенсора.

Однак лідар не підходить для такого роду картографування. Хоча сучасні потужні лідарні системи добре працюють в надзвичайно чистих водах, більша частина океану – особливо прибережні води – має тенденцію бути каламутною і непрозорою для світла. Як наслідок, сказав Фіцпатрік, більшість підводних зйомок, виконаних до цього часу, покладались на гідролокаційні системи, які використовують звукові хвилі, здатні з легкістю поширюватись у каламутній воді.

На жаль, і тут є підступ. Підводні гідролокаційні системи монтуються на повільно рухомий човен або буксируються ним. Зйомка з повітря, за допомогою літального апарату, була б ефективнішою, оскільки він міг би покрити значно більшу площу за менший час. Але це неможливо, оскільки звукові хвилі не можуть перейти з повітря у воду, а потім назад без втрати 99,9999 відсотка своєї енергії.

Що входить до складу PASS

Отже, в той час як лідарні і радіолокаційні системи нанесли на карту весь ландшафт Землі (акцент на “суші”), лише близько 5 відсотків світових вод стали об’єктом подібної візуалізації і картографування. Це еквівалентно карті світу, на якій зображена лише Австралія, а решта світу залишається темною, як на недослідженій карті епохи імперій.

“Наша мета – запропонувати технологію, яка може бути встановлена на літальному апараті для забезпечення широкомасштабного покриття, використовуючи при цьому техніку зйомки, яка надійно працює в каламутній воді”, – сказав Фіцпатрік. “Для цього ми розробляємо фотоакустичну бортову гідролокаційну систему. PASS використовує переваги поширення світла у повітрі і звуку у воді для отримання зображень підводного середовища з повітряної системи”.

PASS працює наступним чином: Спочатку спеціальна лазерна система випускає пучок інфрачервоного світла, який поглинається першим сантиметром води або близько того. Після поглинання лазера вода термічно розширюється, створюючи звукові хвилі, які здатні проникати у воду.

“Ці звукові хвилі тепер діють як сигнал гідролокатора у воді, який був віддалено згенерований за допомогою лазера”, – продовжив Фіцпатрік. “Звукові хвилі відбиватимуться від підводних об’єктів і повертатимуться назад до поверхні води. Частина цього звуку – лише близько 0,06 відсотка – перетинає межу повітря-вода і рухається до повітряної системи. Високочутливі приймачі звуку, або перетворювачі, вловлюють ці звукові хвилі. Потім перетворювачі перетворюють звукову енергію в електричні сигнали, які можуть бути пропущені через алгоритми реконструкції зображень для формування сприйнятливого зображення”.

Те, що лежить під ним

Поки що PASS знаходиться в стадії розробки. Команда продемонструвала тривимірні зображення з високою роздільною здатністю в контрольованому лабораторному середовищі. Але це, як визнав Фіцпатрік, в “контейнері розміром з великий акваріум”, хоча технологія зараз “близька до стадії”, коли вона може бути розгорнута над великим плавальним басейном.

Звичайно, є невелика різниця між великим басейном і усім Світовим океаном, і це вимагатиме значно більших зусиль. Зокрема, великою проблемою, яку необхідно вирішити перед випробуваннями у більших, більш неконтрольованих середовищах, є те, як вирішити проблему передачі зображень через воду з турбулентними поверхневими хвилями. Фіцпатрік сказав, що це складне завдання, але воно “безумовно, має реальні рішення”, над деякими з яких команда вже працює.

“PASS може бути використаний для картографування глибин незвіданих вод, дослідження біологічного середовища, пошуку загублених уламків літаків і, можливо, багато чого іншого”, – сказав він. “Чи не дивно, – додав він, – що ми ще не дослідили всю Землю, на якій живемо? Можливо, PASS зможе це змінити”.

Поєднання світла і звуку для того, щоб вирішити проблему взаємодії повітря і води, може змінити правила гри. А що після цього? Залучити армію картографічних дронів, які нарешті допоможуть показати нам, що лежить під поверхнею океану.

Рекомендації редакції

• Google стежить за популяціями тварин за допомогою гігантської мережі камер дикої природи
• Вчені відстежили мільярди мігруючих океанських тварин за допомогою гігантського космічного лазера
• Міста, які хочуть стати розумнішими, беруть приклад з культового торгового центру
• Цей незвичайний робот, натхненний природою, однаково добре почувається як на суші, так і у воді
• Підводний дрон “LarvalBot” заселятиме коралові рифи, що постраждали від зміни клімату

Source: digitaltrends.com