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2020-11-03Un sistema de navegación subacuático impulsado por sonido

MIT |Un nuevo enfoque podría iniciar una era de exploración oceánica sin baterías, con aplicaciones que van desde la conservación marina hasta la acuicultura.

El GPS no es resistente al agua. El sistema de navegación depende de ondas de radio, que se descomponen rápidamente en líquidos, incluida el agua de mar. Para rastrear objetos submarinos como drones o ballenas, los investigadores confían en la señalización acústica. Pero los dispositivos que generan y envían sonido generalmente requieren baterías, baterías voluminosas y de corta duración que necesitan un cambio regular. ¿Podríamos prescindir de ellos?

Los investigadores del MIT creen que sí. Han construido un sistema de localización sin batería denominado Localización subacuática de retrodispersión (UBL). En lugar de emitir sus propias señales acústicas, UBL refleja señales moduladas de su entorno. Eso proporciona a los investigadores información de posicionamiento, con energía neta cero. Aunque la tecnología aún se está desarrollando, UBL podría convertirse algún día en una herramienta clave para los conservacionistas marinos, los científicos del clima y la Marina de los EE. UU.

Estos avances se describen en un documento que se presentó esta semana en el taller Temas de actualidad en redes de la Association for Computing Machinery, a cargo de miembros del grupo de Cinética de señales del Media Lab. El científico investigador Reza Ghaffarivardavagh dirigió el artículo, junto con los coautores Sayed Saad Afzal, Osvy Rodríguez y Fadel Adib, quien lidera el grupo y es la Cátedra Doherty de Utilización del Océano, así como profesor asociado en el MIT Media Lab y el MIT. Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática.

"Hambrientos de poder"

Es casi imposible escapar del alcance del GPS sobre la vida moderna. La tecnología, que se basa en señales de radio transmitidas por satélite, se utiliza en envíos, navegación, publicidad dirigida y más. Desde su introducción en las décadas de 1970 y 1980, el GPS ha cambiado el mundo. Pero no ha cambiado el océano. Si tuviera que esconderse del GPS, su mejor opción sería bajo el agua.

Debido a que las ondas de radio se deterioran rápidamente a medida que se mueven a través del agua, las comunicaciones submarinas a menudo dependen de señales acústicas. Las ondas de sonido viajan más rápido y más lejos bajo el agua que a través del aire, lo que las convierte en una forma eficiente de enviar datos. Pero hay un inconveniente.

“El sonido consume mucha energía”, dice Adib. Para los dispositivos de rastreo que producen señales acústicas, "sus baterías pueden agotarse muy rápidamente". Eso hace que sea difícil rastrear con precisión objetos o animales durante un período de tiempo prolongado: cambiar una batería no es una tarea sencilla cuando está conectada a una ballena migratoria. Entonces, el equipo buscó una forma de usar el sonido sin baterías.

Buenas vibraciones

El grupo de Adib recurrió a un recurso único que habían utilizado anteriormente para la señalización acústica de baja potencia: materiales piezoeléctricos. Estos materiales generan su propia carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica, como la vibración de ondas sonoras. Los sensores piezoeléctricos pueden usar esa carga para reflejar selectivamente algunas ondas sonoras en su entorno. Un receptor traduce esa secuencia de reflejos, llamada retrodispersión, en un patrón de 1 (para ondas sonoras reflejadas) y 0 (para ondas sonoras no reflejadas). El código binario resultante puede contener información sobre la temperatura o la salinidad del océano.

En principio, la misma tecnología podría proporcionar información de ubicación. Una unidad de observación podría emitir una onda de sonido, luego medir cuánto tiempo tarda esa onda de sonido en reflejarse en el sensor piezoeléctrico y regresar a la unidad de observación. El tiempo transcurrido podría usarse para calcular la distancia entre el observador y el sensor piezoeléctrico. Pero en la práctica, cronometrar dicha retrodispersión es complicado, porque el océano puede ser una cámara de eco.

Las ondas sonoras no viajan directamente entre la unidad de observación y el sensor. También se precipitan entre la superficie y el lecho marino, regresando a la unidad en diferentes momentos. “Empiezas a encontrarte con todos estos reflejos”, dice Adib. "Eso hace que sea complicado calcular la ubicación". Tener en cuenta los reflejos es un desafío aún mayor en aguas poco profundas: la corta distancia entre el lecho marino y la superficie significa que las señales de rebote confusas son más fuertes.

Los investigadores superaron el problema de la reflexión con "saltos de frecuencia". En lugar de enviar señales acústicas a una sola frecuencia, la unidad de observación envía una secuencia de señales a través de un rango de frecuencias. Cada frecuencia tiene una longitud de onda diferente, por lo que las ondas sonoras reflejadas regresan a la unidad de observación en diferentes fases. Combinando información sobre el tiempo y la fase, el observador puede señalar la distancia al dispositivo de seguimiento. El salto de frecuencia tuvo éxito en las simulaciones de aguas profundas de los investigadores, pero necesitaban una protección adicional para cortar el ruido reverberante de las aguas poco profundas.

Donde los ecos corren desenfrenados entre la superficie y el lecho marino, los investigadores tuvieron que ralentizar el flujo de información. Redujeron la tasa de bits, esencialmente esperando más tiempo entre cada señal enviada por la unidad de observación. Eso permitió que los ecos de cada bit se apagaran antes de interferir potencialmente con el siguiente bit. Mientras que una tasa de bits de 2.000 bits / segundo era suficiente en las simulaciones de aguas profundas, los investigadores tuvieron que reducirla a 100 bits / segundo en aguas poco profundas para obtener una clara reflexión de la señal del rastreador. Pero una tasa de bits lenta no resolvió todo.

Para rastrear objetos en movimiento, los investigadores tuvieron que aumentar la tasa de bits. Mil bits / segundo era demasiado lento para señalar un objeto simulado que se movía a través de aguas profundas a 30 centímetros / segundo. “Cuando obtiene suficiente información para localizar el objeto, ya se ha movido de su posición”, explica Afzal. A una velocidad de 10,000 bits / segundo, pudieron rastrear el objeto a través de aguas profundas.

Exploración eficiente

El equipo de Adib está trabajando para mejorar la tecnología UBL, en parte resolviendo desafíos como el conflicto entre la baja tasa de bits requerida en aguas poco profundas y la alta tasa de bits necesaria para rastrear el movimiento. Están resolviendo los problemas mediante pruebas en el río Charles. “Hicimos la mayoría de los experimentos el invierno pasado”, dice Rodríguez. Eso incluyó algunos días con hielo en el río. "No fue muy agradable".

Dejando a un lado las condiciones, las pruebas proporcionaron una prueba de concepto en un entorno desafiante de aguas poco profundas. UBL estimó la distancia entre un transmisor y un nodo de retrodispersión a varias distancias hasta casi medio metro. El equipo está trabajando para aumentar el alcance de UBL en el campo y esperan probar el sistema con sus colaboradores en la Institución Oceanográfica Wood Hole en Cape Cod.

Esperan que UBL pueda ayudar a impulsar un auge en la exploración oceánica. Ghaffarivardavagh señala que los científicos tienen mejores mapas de la superficie de la luna que del fondo del océano. "¿Por qué no podemos enviar vehículos submarinos no tripulados en una misión para explorar el océano? La respuesta es: los perderemos ”, dice.

UBL algún día podría ayudar a que los vehículos autónomos permanezcan bajo el agua, sin gastar la preciosa energía de la batería. La tecnología también podría ayudar a los robots submarinos a trabajar con mayor precisión y proporcionar información sobre los impactos del cambio climático en el océano. “Hay tantas aplicaciones”, dice Adib. “Esperamos comprender el océano a escala. Es una visión a largo plazo, pero eso es en lo que estamos trabajando y lo que nos entusiasma ".

Este trabajo fue apoyado, en parte, por la Oficina de Investigación Naval.


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MIT

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