Sistem Navigasi Bawah Air MIT Didukung oleh Suara

Peneliti MIT telah membangun sistem penunjuk tanpa baterai, yang disebut Localization Backscatter Underwater (UBL). Foto ini menunjukkan sensor bebas baterai yang dienkapsulasi dalam polimer sebelum dibenamkan di Sungai Charles. Kredit: Reza Ghaffarivardavagh

Pendekatan baru dapat mengantarkan era eksplorasi laut tanpa baterai, dengan penerapan mulai dari konservasi laut hingga akuakultur.

GPS tidak kedap air. Sistem navigasi bergantung pada gelombang radio, yang dengan cepat memecah menjadi cairan, termasuk air laut. Untuk melacak objek kapal selam seperti drone atau paus, peneliti mengandalkan sinyal akustik. Tetapi perangkat yang menghasilkan dan mengirim suara biasanya membutuhkan baterai – baterai besar dan berumur pendek yang perlu diganti secara teratur. Bisakah kita melakukannya tanpa mereka?

Dengan peneliti berpikir begitu. Mereka membangun sistem penunjuk tanpa baterai yang disebut Underwater Backscatter Location (UBL). Alih-alih memancarkan sinyal akustiknya sendiri, UBL mencerminkan sinyal yang dimodulasi oleh lingkungannya. Ini memberi peneliti informasi pemosisian, pada energi nol-bersih. Meski teknologi masih dalam pengembangan, suatu saat UBL bisa menjadi alat kunci bagi konservasionis laut, ilmuwan iklim dan Angkatan Laut Amerika Serikat.

Kemajuan ini dijelaskan dalam artikel yang disajikan minggu ini di lokakarya Asosiasi Komputasi Topik Populer di Net, oleh anggota grup Signal Kinetics dari Media Lab. Ilmuwan riset Reza Ghaffarivardavagh memimpin jurnal tersebut, dengan rekan penulis Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez, dan Fadel Adib, yang memimpin grup dan merupakan Doherty Chair of Ocean Utilization dan profesor di MIT Media Lab dan MIT Department of Teknik Listrik dan Komputer.

“Haus kekuasaan”

Hampir tidak mungkin untuk melepaskan diri dari penangkapan GPS dari kehidupan modern. Teknologi, yang mengandalkan sinyal radio yang dikirim oleh satelit, digunakan dalam transportasi, navigasi, iklan bertarget, dan bahkan lebih. Sejak diperkenalkan pada tahun 70-an dan 80-an, GPS telah mengubah dunia. Tapi itu tidak mengubah lautan. Jika Anda akan bersembunyi dari GPS, taruhan terbaik Anda adalah di bawah air.

Karena gelombang radio memburuk dengan cepat saat bergerak melalui air, komunikasi kapal selam sering kali bergantung pada sinyal akustik. Gelombang suara merambat lebih cepat dan lebih banyak di bawah air daripada melalui udara, menjadikannya cara yang efisien untuk mengirim data. Tapi ada sisi negatifnya.

“Suara membutuhkan tenaga,” kata Adib. Untuk perangkat trek yang menghasilkan sinyal akustik, “baterainya dapat habis dengan sangat cepat.” Hal ini menyulitkan pelacakan objek atau hewan secara akurat untuk waktu yang lama – mengganti baterai bukanlah tugas yang mudah saat dipasang ke paus yang bermigrasi. Jadi, tim mencari cara bebas baterai untuk menggunakan suara.

Getaran yang bagus

Grup Adib beralih ke satu sumber daya yang sebelumnya mereka gunakan untuk sinyal akustik berdaya rendah: bahan piezoelektrik. Bahan-bahan ini menghasilkan muatan listriknya sendiri sebagai respons terhadap tekanan mekanis, seperti ping dari gelombang suara yang bergetar. Sensor piezoelektrik kemudian dapat menggunakan muatan tersebut untuk secara selektif memantulkan gelombang suara tertentu di lingkungannya. Sebuah reseptor menerjemahkan urutan pantulan, yang disebut hamburan balik, menjadi pola 1s (untuk gelombang suara yang dipantulkan) dan 0s (untuk gelombang suara yang tidak dipantulkan). Kode biner yang dihasilkan dapat membawa informasi tentang suhu laut atau salinitas.

Pada prinsipnya, teknologi yang sama dapat memberikan informasi situasi. Unit observasi dapat memancarkan gelombang suara, kemudian menjerit sebanyak yang dibutuhkan gelombang suara tersebut untuk memantulkan sensor piezoelektrik dan kembali ke unit observasi. Waktu yang dihabiskan dapat digunakan untuk menghitung jarak antara pengamat dan sensor piezoelektrik. Namun dalam praktiknya, pengaturan waktu retrograde ini rumit, karena lautan bisa menjadi ruang gema.

Gelombang suara tidak hanya bergerak langsung antara unit observasi dan sensor. Mereka juga melayang di antara permukaan dan dasar laut, kembali ke unit pada waktu yang berbeda. “Anda mulai lari dari semua refleksi ini,” kata Adib. “Itu membuatnya sulit untuk menghitung situasinya.” Menghitung pantulan merupakan tantangan yang lebih besar di perairan dangkal – jarak pendek antara dasar laut dan permukaan berarti sinyal gema yang membingungkan lebih kuat.

Para peneliti mengatasi masalah refleksi dengan “frekuensi hopping”. Alih-alih mengirimkan sinyal akustik pada satu frekuensi, unit observasi mengirimkan urutan sinyal melalui rentang frekuensi. Setiap frekuensi memiliki panjang gelombang yang berbeda, sehingga gelombang suara yang dipantulkan kembali ke unit pengamatan pada tahapan yang berbeda. Dengan menggabungkan informasi tentang waktu dan fase, pengamat dapat mengidentifikasi jarak dari alat pelacak. Lompatan frekuensi berhasil dalam simulasi laut dalam para peneliti, tetapi mereka membutuhkan perlindungan tambahan untuk menghentikan gemuruh air dangkal yang menggelegar.

Di mana gema muncul di antara permukaan dan dasar laut, para peneliti harus memperlambat aliran informasi. Mereka mengurangi bitrate, pada dasarnya menunggu lebih lama di antara setiap sinyal yang dikirim oleh unit observasi. Itu memungkinkan gema setiap bit mati sebelum bisa mengganggu bit berikutnya. Sementara bitrate 2.000 bit / detik cukup dalam simulasi perairan dalam, para peneliti harus memanggil hingga 100 bit / detik di perairan dangkal untuk mendapatkan pantulan sinyal yang jelas dari pelacak. Namun bitrate lambat tidak menyelesaikan segalanya.

Untuk melacak objek bergerak, peneliti harus meningkatkan bitrate. Seribu bit / detik terlalu lambat untuk mengidentifikasi objek simulasi yang bergerak di air dalam dengan kecepatan 30 sentimeter / detik. “Ketika Anda mendapat cukup informasi untuk menemukan objek, itu sudah melalui posisinya,” jelas Afzal. Dengan kecepatan 10.000 bit / detik, mereka mampu melacak objek tersebut melalui air yang dalam.

Eksplorasi yang efisien

Tim Adib berupaya untuk meningkatkan teknologi UBL, antara lain dengan menyelesaikan tantangan seperti konflik antara bitrate rendah yang dibutuhkan di perairan dangkal dan bitrate tinggi yang diperlukan untuk melacak pergerakan. Mereka sedang mengerjakan soal dengan tes di Sungai Charles. “Kami melakukan sebagian besar eksperimen musim dingin lalu,” kata Rodriguez. Itu termasuk beberapa hari dengan es di sungai. “Itu tidak terlalu menyenangkan.”

Selain kondisi, pengujian memberikan bukti konsep di lingkungan air rendah yang dangkal. UBL memperkirakan jarak antara transmitter dan node backscatter pada berbagai jarak hingga hampir setengah meter. Tim ini bekerja untuk meningkatkan jangkauan UBL di lapangan, dan berharap dapat menguji sistem dengan kolaborator mereka di Lembaga Oseanografi Lubang Kayu Cape Cod.

Semoga UBL dapat membantu mendorong booming eksplorasi lautan. Ghaffarivardavagh mencatat bahwa para ilmuwan memiliki peta permukaan bulan yang lebih baik daripada dasar laut. “Mengapa kita tidak bisa mengirim kendaraan bawah air tak berawak untuk misi menjelajahi lautan? Jawabannya adalah: kita akan kehilangan mereka,” katanya.

UBL suatu hari nanti dapat membantu kendaraan otonom untuk ditemukan di bawah air tanpa membuang daya baterai yang berharga. Teknologi tersebut juga dapat membantu robot bawah air bekerja lebih akurat, dan memberikan informasi tentang dampak perubahan iklim di lautan. “Ada banyak sekali aplikasinya,” kata Adib. “Kami berharap untuk memahami lautan dalam skala besar. Ini adalah visi jangka panjang, tapi itulah yang sedang kami kerjakan dan yang membuat kami bersemangat.”

Pekerjaan ini didukung, sebagian, oleh Office of Naval Research.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ada lebih banyak genetika daripada DNA

Ahli biologi di Inggris dan Austria telah mengidentifikasi 71 gen baru pada tikus. Ahli biologi di Universitas Bath dan Wina telah menemukan 71 gen baru...

Untuk mencegah kelaparan, adaptasi iklim membutuhkan miliaran investasi tahunan tambahan

Investasi dalam penelitian pertanian, pengelolaan air, infrastruktur dapat mencegah pertumbuhan kelaparan yang disebabkan oleh iklim. Untuk mencegah dampak perubahan iklim pada tahun 2050, yang memaksa...

Teknologi Ultra Tipis Canggih untuk Merevolusi Penglihatan Malam – “Kami Membuat Yang Tak Terlihat Terlihat”

Dr. Rocio Camacho Morales mengatakan para peneliti membuatnya "tidak terlihat, terlihat." Kredit: Jamie Kidston, Universitas Nasional Australia Biar ringan! Film ultra-tipis suatu hari...

Maju dalam dekomposisi CO2 dengan efisiensi tinggi

ARA. 1: Metode sintesis fotokatalis tiga komponen baru. Sebuah nanotube karbon enkapsulasi molekul yodium direndam dalam larutan perak nitrat (AgNO3) berair untuk menghasilkan...

Satelit Terkemuka di Lautan – Copernicus Sentinel-6 – Hidup!

Copernicus Sentinel-6 menggunakan mode inovatif yang diselingi dengan altimeter radar frekuensi ganda Poseidon-4 (C- dan Ku-band), yang telah meningkatkan kinerja dibandingkan dengan desain altimeter...

Newsletter

Subscribe to stay updated.