Komunikace pod vodou získává delší dosah

Technologie využívající tzv. podvodní zpětný rozptyl umožňuje nízkoenergetickou komunikaci kódováním dat do zvukových vln, které odráží nebo rozptyluje zpět k přijímači. Tyto inovace umožňují přesnější nasměrování odražených signálů na jejich zdroj a díky této lepší „zpětné směrovosti“ se méně signálů rozptyluje špatnými směry, což umožňuje efektivnější komunikaci s delším dosahem.
Tato technika, kterou vědci začali vyvíjet před několika lety, je navíc energeticky mimořádně nenáročná – využívá přibližně pouhou miliontinu energie, kterou potřebují stávající metody komunikace pod vodou. Rozšířením komunikačního dosahu bezbateriového systému vědci učinili technologii proveditelnější pro aplikace, jako je akvakultura, předpověď pobřežních hurikánů, monitoring a modelování změn klimatu na pobřeží apod.

Krotitelé odrazů
Podvodní komunikační zařízení se zpětným rozptylem využívají řadu uzlů vyrobených z piezoelektrických materiálů vytvářejících elektrický signál, když na ně působí mechanická síla k přijímání a odrážení zvukových vln. Když zvukové vlny narazí na uzly, vibrují a přeměňují mechanickou energii na elektrický náboj, který uzly používají k rozptýlení části akustické energie zpět ke zdroji a přenášejí data, která přijímač dekóduje na základě sekvence odrazů.
Ale protože se zpětně odražený signál šíří všemi směry, ke zdroji se dostane jen malá část, což snižuje sílu signálu a omezuje dosah komunikace. K překonání této výzvy výzkumníci využili 70 let staré rádiové zařízení zvané Van Attovo pole, v němž jsou symetrické páry antén spojeny takovým způsobem, že pole odráží energii zpět ve směru, ze kterého přišla. Vzhledem k tomu, že připojení piezoelektrických uzlů k vytvoření Van Attova pole snižuje jejich účinnost, snažili se výzkumníci tomuto problému vyhnout umístěním transformátoru mezi páry propojených uzlů. Transformátor, který přenáší elektrickou energii z jednoho okruhu do druhého, umožňuje uzlům odrážet maximální množství energie zpět do zdroje.
Při budování Van Attova pole vědci zjistili, že pokud by byly připojené uzly příliš blízko, vzájemně by blokovaly signály. Vymysleli proto nový design s rozmístěnými uzly, který umožňuje signálům dosáhnout pole z jakéhokoli směru. S tímto škálovatelným designem platí, že čím více uzlů pole má, tím větší je jeho komunikační dosah. Zvyšováním počtu prvků v systému je tak možné vytvářet pole, které umožní dosáhnout mnohem delších komunikačních vzdáleností.

Funguje to – a lépe než kdy dříve
Vědci testovali pole ve více než 1500 experimentálních testech v řece Charles River v Cambridge ve státě Massachusetts a u pobřeží v Atlantském oceánu. Retrodirektivní zařízení vykazovalo komunikační dosah 300 m, tzn. více než 15krát delší oproti předchozím systémům. Experimenty však byly omezeny délkou doků, které měli vědci k dispozici.
Pro lepší pochopení limitů podvodního zpětného rozptylu tým také vyvinul analytický model pro předpovídání maximálního dosahu technologie, který ověřili pomocí experimentálních dat a který ukázal, že zmíněný retrodirektivní systém může komunikovat až na kilometrové vzdálenosti.
Plug and play model, který tým vytvořil v návaznosti na práci své skupiny na RFID, zachycoval dopad systémových parametrů, jako je velikost piezoelektrických uzlů a vstupní výkon signálu na podvodní provozní rozsah zařízení. Do modelu bylo možné zadat informace, jako je vstupní výkon a rozměry piezoelektrických uzlů, a získat výstup ukazující očekávaný dosah systému.
Při vyhodnocení modelu na datech ze svých experimentálních pokusů zjistili, že dokáže přesně předpovědět rozsah zpětně směrovaných akustických signálů s průměrnou chybou menší než jeden decibel a že podvodní pole zpětného rozptylu může potenciálně zvládnout až kilometrový komunikační dosah.
Vědci plánují pokračovat ve studiu podvodních Van Attových polí zpětného rozptylu, aby mohli vyhodnotit delší komunikační dosahy, a zároveň začínají směřovat ke komercializaci této technologie.

Adam Zewe
Foto MIT, Forever Oceans

Publikováno: 9. 11. 2023 | Počet zobrazení: 66 11