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Un sistema di navigazione subacqueo alimentato dal suono

DiRedazione

Nov 7, 2020
mare

Un nuovo approccio potrebbe innescare un’era di esplorazione oceanica senza batterie, con applicazioni che vanno dalla conservazione marina all’acquacoltura.

Il GPS non è impermeabile. Il sistema di navigazione dipende dalle onde radio, che si decompongono rapidamente nei liquidi, inclusa l’acqua di mare. Per tracciare oggetti sottomarini come droni o balene, i ricercatori si affidano alla segnalazione acustica. Ma i dispositivi che generano e inviano suoni di solito richiedono batterie: batterie ingombranti e di breve durata che richiedono una sostituzione regolare. Potremmo fare a meno di loro?

I ricercatori del MIT la pensano così. Hanno costruito un sistema di localizzazione senza batteria denominato Underwater Backscatter Localization (UBL). Piuttosto che emettere i propri segnali acustici, UBL riflette i segnali modulati dal suo ambiente. Ciò fornisce ai ricercatori informazioni sul posizionamento, a energia netta zero. Sebbene la tecnologia sia ancora in via di sviluppo, un giorno UBL potrebbe diventare uno strumento chiave per gli ambientalisti marini, gli scienziati del clima e la Marina degli Stati Uniti.

Questi progressi sono descritti in un documento presentato al workshop Hot Topics in Networks dell’Association for Computing Machinery, dai membri del gruppo Signal Kinetics del Media Lab. Il ricercatore Reza Ghaffarivardavagh ha guidato il documento, insieme ai coautori Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez e Fadel Adib, che guida il gruppo ed è la Doherty Chair of Ocean Utilization, nonché professore associato nel MIT Media Lab e nel MIT Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica.

“Bisognoso di energia”

È quasi impossibile sfuggire alla comprensione del GPS sulla vita moderna. La tecnologia, che si basa sui segnali radio trasmessi dal satellite, viene utilizzata nella navigazione, nella navigazione, nella pubblicità mirata e altro ancora. Dalla sua introduzione negli anni ’70 e ’80, il GPS ha cambiato il mondo. Ma non ha cambiato l’oceano. Se dovessi nasconderti dal GPS, la soluzione migliore sarebbe sott’acqua.

Poiché le onde radio si deteriorano rapidamente mentre si muovono attraverso l’acqua, le comunicazioni sottomarine spesso dipendono invece da segnali acustici. Le onde sonore viaggiano più velocemente e più lontano sott’acqua che attraverso l’aria, rendendole un modo efficiente per inviare dati. Ma c’è un inconveniente.

“Il suono è assetato di potere”, afferma Adib. Per i dispositivi di localizzazione che producono segnali acustici, “le loro batterie possono scaricarsi molto rapidamente”. Ciò rende difficile tracciare con precisione oggetti o animali per un lungo periodo di tempo: cambiare una batteria non è un compito semplice quando è attaccata a una balena in migrazione. Quindi, il team ha cercato un modo senza batteria per utilizzare il suono.

Vibrazioni positive

Il gruppo di Adib si è rivolto a una risorsa unica che avevano  precedentemente utilizzato  per la segnalazione acustica a bassa potenza: i materiali piezoelettrici. Questi materiali generano la propria carica elettrica in risposta a sollecitazioni meccaniche, come ricevere impulsi da onde sonore vibranti. I sensori piezoelettrici possono quindi utilizzare quella carica per riflettere selettivamente alcune onde sonore nel loro ambiente. Un ricevitore traduce quella sequenza di riflessioni, chiamata retrodiffusione, in un pattern di 1s (per le onde sonore riflesse) e 0 (per le onde sonore non riflesse). Il codice binario risultante può trasportare informazioni sulla temperatura o sulla salinità dell’oceano.

In linea di principio, la stessa tecnologia potrebbe fornire informazioni sulla posizione. Un’unità di osservazione potrebbe emettere un’onda sonora, quindi rilevare quanto tempo impiega quell’onda sonora per riflettersi sul sensore piezoelettrico e tornare all’unità di osservazione. Il tempo trascorso potrebbe essere utilizzato per calcolare la distanza tra l’osservatore e il sensore piezoelettrico. Ma in pratica, la temporizzazione di tale retrodiffusione è complicata, perché l’oceano può essere una camera d’eco.

The sound waves don’t just travel directly between the observation unit and sensor. They also careen between the surface and seabed, returning to the unit at different times. “You start running into all of these reflections,” says Adib. “That makes it complicated to compute the location.” Accounting for reflections is an even greater challenge in shallow water — the short distance between seabed and surface means the confounding rebound signals are stronger.

I ricercatori hanno superato il problema della riflessione con il “salto di frequenza”. Piuttosto che inviare segnali acustici a una singola frequenza, l’unità di osservazione invia una sequenza di segnali su una gamma di frequenze. Ogni frequenza ha una lunghezza d’onda diversa, quindi le onde sonore riflesse ritornano all’unità di osservazione in fasi diverse. Combinando le informazioni sui tempi e sulla fase, l’osservatore può individuare la distanza dal dispositivo di localizzazione. Il salto di frequenza ha avuto successo nelle simulazioni in acque profonde dei ricercatori, ma avevano bisogno di una protezione aggiuntiva per tagliare il rumore riverberante delle acque poco profonde.

Dove gli echi dilagano tra la superficie e il fondo marino, i ricercatori hanno dovuto rallentare il flusso di informazioni. Hanno ridotto il bitrate, essenzialmente aspettando più a lungo tra ogni segnale inviato dall’unità di osservazione. Ciò ha permesso che gli echi di ogni bit si attenuassero prima di potenzialmente interferire con il bit successivo. Mentre un bitrate di 2.000 bit / secondo era sufficiente nelle simulazioni di acque profonde, i ricercatori hanno dovuto ridurlo a 100 bit / secondo in acque poco profonde per ottenere una chiara riflessione del segnale dal tracker. Ma un bitrate lento non ha risolto tutto.

Per tracciare gli oggetti in movimento, i ricercatori hanno effettivamente dovuto aumentare il bitrate. Mille bit / secondo erano troppo lenti per individuare un oggetto simulato che si muoveva attraverso acque profonde a 30 centimetri / secondo. “Quando si ottengono informazioni sufficienti per localizzare l’oggetto, si è già spostato dalla sua posizione”, spiega Afzal. Alla velocità di 10.000 bit / secondo, sono stati in grado di tracciare l’oggetto attraverso acque profonde.

Esplorazione efficiente

Il team di Adib sta lavorando per migliorare la tecnologia UBL, in parte risolvendo sfide come il conflitto tra il basso bitrate richiesto in acque poco profonde e l’alto bitrate necessario per monitorare il movimento. Stanno risolvendo i problemi attraverso i test nel fiume Charles. “Abbiamo fatto la maggior parte degli esperimenti lo scorso inverno”, dice Rodriguez. Ciò includeva alcuni giorni con ghiaccio sul fiume. “Non è stato molto piacevole.”

Condizioni a parte, i test hanno fornito una prova di concetto in un ambiente difficile con acque poco profonde. UBL ha stimato la distanza tra un trasmettitore e un nodo di backscatter a varie distanze fino a quasi mezzo metro. Il team sta lavorando per aumentare la gamma di UBL sul campo e sperano di testare il sistema con i propri collaboratori presso la Wood Hole Oceanographic Institution di Cape Cod.

Sperano che UBL possa contribuire ad alimentare un boom nell’esplorazione oceanica. Ghaffarivardavagh osserva che gli scienziati hanno mappe migliori della superficie lunare che del fondo oceanico. “Perché non possiamo inviare veicoli sottomarini senza pilota in missione per esplorare l’oceano? La risposta è: li perderemo “, dice.

Un giorno UBL potrebbe aiutare i veicoli autonomi a rimanere sott’acqua, senza spendere la preziosa batteria. La tecnologia potrebbe anche aiutare i robot sottomarini a lavorare in modo più preciso e fornire informazioni sugli impatti dei cambiamenti climatici nell’oceano. “Ci sono così tante applicazioni”, afferma Adib. “Speriamo di capire l’oceano su larga scala. È una visione a lungo termine, ma questo è ciò a cui stiamo lavorando e ciò di cui siamo entusiasti “.

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