Podvodni navigacioni sistem napajan zvukom

Novi pristup mogao bi pokrenuti eru battery-free istraživanja okeana, sa primenom u rasponu od očuvanja mora do akvakulture. GPS nije vodootporan.

Sistem je sličan podmorskom GPS-u

Navigacioni sistem zavisi od radio talasa koji se brzo raspršuju u tečnostima, uključujući morsku vodu. Da bi pratili podmorske predmete poput dronova ili kitova, istraživači se oslanjaju na zvučnu signalizaciju. Ali uređaji koji generišu i šalju zvuk obično zahtevaju baterije – glomazne, kratkotrajne baterije kojima je potrebno redovno menjanje. Možemo li bez njih? Istraživači MIT-a tako misle.

Izgradili su battery-free pinpointing sistem, nazvan Underwater Backscatter Localization (UBL). Umesto da emituje sopstvene zvučne signale, UBL reflektuje modulisane signale iz svog okruženja. To pruža istraživačima informacije o pozicioniranju sa neto-nula energije. Iako se tehnologija još uvek razvija, UBL bi jednog dana mogao postati ključno sredstvo za morske konzervatore, naučnike koji se bave klimom i američku mornaricu. Ova dostignuća opisana su u radu koji su ove nedelje predstavili članovi grupe Media Lab’s Signal Kinetics, Reza Ghaffarivardavagh, i koautori Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez, i Fadel Adib, koji vodi grupu i predsedava Doherty organizacijom za upotrebu okeana, kao i vanredni profesor u MIT Media Lab-u i MIT-u, Odeljenje za elektrotehniku i računarstvo.

Gotovo je nemoguće shvatiti značaj GPS-a u savremenim uslovima. Tehnologija koja se oslanja na satelitske radio-signale koristi se u brodarstvu, navigaciji, ciljanom oglašavanju i još mnogo toga. Budući da se radio-talasi brzo pogoršavaju dok se kreću kroz vodu, podmorska komunikacija često zavisi od zvučnih signala. Zvučni talasi putuju brže i dalje pod vodom nego kroz vazduh, što ih čini efikasnim načinom slanja podataka. Ali postoji nedostatak. „Zvuk je gladan energije“, kaže Adib. Za uređaje za praćenje koji proizvode zvučne signale, „baterije se mogu vrlo brzo isprazniti“. Adibova grupa okrenula se jedinstvenom resursu koji su ranije koristili za akustičnu signalizaciju male snage: piezoelektrični materijali.

Ovi materijali generišu sopstveni električni naboj kao odgovor na mehanički stres, poput pinga vibracionim talasima. Piezoelektrični senzori tada mogu da koriste to punjenje da selektivno odražavaju neke zvučne talase u svom okruženju. Prijemnik prevodi taj niz refleksija, nazvan backscatter, u obrazac od 1s (za odbijene zvučne talase) i 0s (za neodbijene zvučne talase). Dobijeni binarni kod može nositi informacije o temperaturi okeana ili slanosti. U principu, ista tehnologija može pružiti informacije o lokaciji. Jedinica za posmatranje mogla bi emitovati zvučni talas, a zatim meriti koliko mu treba da se odbije od piezoelektričnog senzora i vrati u jedinicu za osmatranje. Proteklo vreme moglo bi se koristiti za izračunavanje udaljenosti između posmatrača i piezoelektričnog senzora. Ali u praksi je vremensko određivanje takvog rasejanja komplikovano, jer okean može biti eho komora.

Istraživači su prevazišli problem refleksije „skakanjem frekvencije“. Umesto da šalje zvučne signale na jednoj frekvenciji, jedinica za posmatranje šalje sekvencu signala kroz čitav opseg frekvencija. Svaka frekvencija ima različitu talasnu dužinu, pa se odbijeni zvučni talasi vraćaju u osmatračku jedinicu u različitim fazama. Kombinovanjem informacija o vremenu i fazi, posmatrač može odrediti udaljenost do uređaja za praćenje. Da bi pratili objekte u pokretu, istraživači su morali da pojačaju brzinu prenosa. Hiljadu bitova u sekundi bilo je presporo da bi se tačno utvrdio simulirani objekat koji se kreće kroz duboku vodu na 30 cm/sec.

„Dok dobijete dovoljno informacija da lokalizujete objekat, on se već pomerio sa svog položaja“, objašnjava Afzal. Brzinom od 10.000 bita / sekundu, mogli su da prate objekat kroz duboku vodu. Osim uslova, testovi su pružili dokaz o konceptu u izazovnom okruženju plitke vode. UBL je procenio rastojanje između predajnika i čvora povratnog rasejanja na različitim udaljenostima do skoro pola metra. Tim radi na povećanju dometa UBL-a na terenu i nadaju se da će sistem testirati sa svojim saradnicima u Okeanografskoj instituciji Vood Hole na Cape Codu.Nadaju se da bi UBL mogao da pomogne podstaći procvat istraživanja okeana. UBL bi jednog dana mogao da pomogne autonomnim vozilima da ostanu pod vodom, bez trošenja dragocene baterije. Tehnologija bi takođe mogla da pomogne podmorskim robotima da rade preciznije i pruži informacije o uticajima klimatskih promena na okean.

Izvor: Sciencedaily