Sistem de navigație subacvatică MIT alimentat de voce

Cercetătorii MIT au construit un sistem de identificare fără baterii numit localizare subacvatică (UBL). Această fotografie arată senzorul fără baterii încapsulat într-un polimer înainte de a fi scufundat în râul Charles. Credit: Reza Ghaffarivardavagh

Noua abordare ar putea declanșa o eră a explorării oceanului fără baterii, cu aplicații variind de la conservarea marină la acvacultură.

GPS-ul nu este rezistent la apă. Sistemul de navigație depinde de undele radio, care se descompun rapid în lichide, inclusiv apă de mare. Pentru a urmări obiecte subacvatice, cum ar fi dronele sau balenele, cercetătorii se bazează pe semnalizarea acustică. Dar dispozitivele care generează și trimit sunet necesită de obicei baterii – baterii mari, de scurtă durată, care necesită înlocuire regulată. Ne putem lipsi de ele?

cu cercetătorii cred asta. Au construit un sistem de identificare fără baterii numit localizare subacvatică (UBL). În loc să emită propriile semnale acustice, UBL reflectă semnale modulate de mediul său. Aceasta oferă cercetătorilor informații de poziționare cu privire la energia net-zero. Deși tehnologia este încă în evoluție, UBL poate deveni într-o zi un instrument major pentru conservatorii marini, oamenii de știință din domeniul climei și marina americană.

Aceste progrese sunt descrise într-o lucrare prezentată săptămâna aceasta în cadrul atelierului „Topics Hot Computer Association” al Computer Machines Association de către membrii grupului Media Lab Kinetic Kinetics. Cercetătorul Reza Ghaffarivardavagh a fost coautor al lucrării, alături de co-autorii Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez și Fadel Adib, care conduce grupul și este președinte Doherty pentru utilizarea oceanelor, precum și profesor asociat la MIT Media Lab și la departamentul MIT Elekt Inxier Informatică.

„Flămând de putere”

Aproape este aproape imposibil să scapi de sensul GPS-ului în viața modernă. Tehnologia, care se bazează pe semnale radio transmise prin satelit, este utilizată în transportul maritim, navigație, publicitate direcționată etc. De la introducerea sa în anii ’70 și ’80, GPS-ul a schimbat lumea. Dar nu a schimbat oceanul. Dacă ar fi să te ascunzi de GPS, cel mai bun pariu ar fi sub apă.

Deoarece undele radio se deteriorează rapid pe măsură ce călătoresc prin apă, comunicațiile subacvatice depind adesea de semnale acustice. Undele sonore călătoresc mai repede și mai departe sub apă decât prin aer, făcându-le un mod eficient de a trimite date. Dar există un dezavantaj.

„Sunetul este înfometat de putere”, spune Adib. Pentru dispozitivele de urmărire care produc semnale acustice, „bateriile lor se pot usca foarte repede”. Acest lucru face dificilă urmărirea obiectelor sau animalelor cu precizie pentru o lungă perioadă de timp – schimbarea unei baterii nu este o sarcină ușoară atunci când este asociată cu o balenă migratoare. Astfel, echipa a căutat un mod fără baterii de a utiliza sunetul.

Vibrații bune

Grupul Adib s-a dovedit a fi o sursă unică pe care ar fi folosit-o anterior pentru semnalizarea acustică de mică putere: materiale piezoelectrice. Aceste materiale își generează propria încărcare electrică ca răspuns la stresul mecanic, cum ar fi clește prin vibrația undelor sonore. Senzorii piezoelectrici pot utiliza această încărcare pentru a reflecta selectiv unele unde sonore înapoi în mediul lor. Un receptor traduce acea secvență de reflecție, numită backscatter, într-un model de 1s (pentru undele de sunet reflectate) și 0s (pentru undele de sunet ne-reflectate). Codul binar rezultat poate oferi informații despre temperatura sau salinitatea oceanului.

În principiu, aceeași tehnologie poate furniza informații despre locație. O unitate de observare poate emite o undă sonoră, apoi vedeți cât durează acea undă sonoră să se reflecte de la senzorul piezoelectric și să revină la unitatea de observare. Timpul scurs poate fi folosit pentru a calcula distanța dintre observator și senzorul piezoelectric. Dar, în practică, momentul unui astfel de decalaj este complicat, deoarece oceanul poate fi o cameră de ecou.

Undele sonore nu circulă direct între unitatea de observare și senzor. De asemenea, le pasă între suprafață și fundul mării, transformându-se în unități în momente diferite. „Începi să întâlnești toate aceste reflecții”, spune Adib. “Acest lucru complică calculul locației.” Contabilitatea reflectărilor este o provocare și mai mare în apele puțin adânci – distanța scurtă dintre fundul mării și suprafață înseamnă că semnalele de inversare perturbatoare sunt mai puternice.

Cercetătorii au depășit problema reflectării cu „saltul de frecvență”. În loc să trimită semnale acustice pe o singură frecvență, unitatea de monitorizare trimite o secvență de semnale pe o gamă de frecvențe. Fiecare frecvență are o lungime de undă diferită, astfel încât undele sonore reflectate revin la unitatea de observare la diferite faze. Combinând informații despre timp și fază, observatorul poate determina distanța până la dispozitivul de urmărire. Scăderea frecvenței a avut succes în simulările cercetătorilor în ape adânci, dar au avut nevoie de o protecție suplimentară pentru a întrerupe zgomotul rebelilor din apele puțin adânci.

Acolo unde ecoul continuă neîntrerupt între suprafață și fundul mării, cercetătorii au trebuit să încetinească fluxul de informații. Au coborât bitul, așteptând practic mai mult între fiecare semnal trimis de unitatea de monitorizare. Acest lucru a permis ca ecourile fiecărui bit să dispară înainte ca acesta să poată interfera cu celălalt bit. În timp ce un pic de 2.000 biți / secundă a fost suficient în simulările de apă adâncă, cercetătorii au trebuit să-l numească la 100 biți / secundă în apă puțin adâncă pentru a obține o reflectare clară a semnalului de la tracker. Dar un bitrate lent nu a rezolvat totul.

Pentru a urmări obiectele în mișcare, cercetătorii au trebuit să mărească debitul de biți. O mie de biți pe secundă a fost prea lentă pentru a defini un obiect simulat care se mișcă prin apă adâncă la 30 de centimetri / secundă. „Până când obțineți suficiente informații pentru a localiza obiectul, acesta s-a mutat deja din poziția sa”, explică Afzal. La o viteză de 10.000 de biți / secundă, au reușit să urmărească obiectul prin apă adâncă.

Explorare eficientă

Echipa Adib lucrează pentru îmbunătățirea tehnologiei UBL, parțial rezolvând provocări precum conflictul dintre bitul scăzut necesar în apă puțin adâncă și bitul înalt necesar pentru urmărirea mișcării. Lucrează la crampe prin teste pe râul Charles. „Am făcut majoritatea experimentelor în iarna trecută”, spune Rodriguez. Aceasta a inclus câteva zile de gheață pe râu. – Nu a fost foarte frumos.

Deoparte de condiții, testele au oferit un test de concept într-un mediu de provocare a apei de mică adâncime. UBL a estimat distanța dintre un emițător și nodul de retur la distanțe diferite de până la aproape jumătate de metru. Echipa lucrează pentru a crește gama UBL în domeniu și speră să testeze sistemul împreună cu asociații lor la Wood Hole Oceanistic Institution din Cape Cod.

Ei speră că UBL poate ajuta la stimularea unui boom în explorarea oceanelor. Ghaffarivardavagh notează că oamenii de știință au hărți mai bune ale suprafeței lunare decât marea. “De ce nu putem trimite vehicule subacvatice fără pilot în misiune de explorare a oceanului?” Răspunsul este: îi vom pierde “, a spus el.

UBL poate ajuta într-o zi vehiculele autonome să rămână sub apă fără a irosi bateria prețioasă. Tehnologia poate ajuta, de asemenea, roboții subterani să lucreze mai precis și să ofere informații despre efectele schimbărilor climatice asupra oceanului. „Există atât de multe aplicații”, spune Adib. „Sperăm să înțelegem oceanul la scară largă. “Este o viziune pe termen lung, dar pentru asta lucrăm și pentru ce suntem încântați”.

Această lucrare a fost susținută, în parte, de Biroul de Cercetări Marine.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Apneea obstructivă în somn este frecventă la persoanele cu tulburări cognitive – este tratabilă

O tulburare de somn tratabilă în mod obișnuit la persoanele cu probleme de gândire și memorie. Apnee obstructivă în somn - respirația se oprește de...

Oamenii de știință dezvăluie cheia creșterii musculare adecvate

Analiza imunofluorescenței unui grup de celule stem proliferante asociate cu fibre musculare (gri). Celulele stem produc Dll1 (roșu) și MyoD (verde). Două...

ExoMars Orbiter surprinde fermitatea la locul de aterizare al craterului Mars Jezero

ESA-Roscosmos Trace Gas Orbiter a observat vehiculul NASA Perseverance Mars 2020, împreună cu o parașută și o carapace spate, un scut termic și o...

Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea...

Utilizarea moleculelor vibrante pentru a investiga proprietățile undelor materiei

Ionii moleculari HD + (perechi de puncte galbene și roșii) într-o capcană de ioni (gri) sunt iradiați de o undă laser (roșu). Acest...

Newsletter

Subscribe to stay updated.