Podvodní navigační systém MIT poháněný zvukem:

Vědci z MIT vytvořili přesný systém značení bez baterií s názvem Underwater Backscatter Localization (UBL). Tato fotografie ukazuje senzor bez baterií uvězněný v polymeru před jeho ponořením do řeky Charles. Půjčka: Reza ff afarivardavagh

Nový přístup by mohl zahájit éru průzkumu oceánu bez baterií, od ochrany moří až po akvakulturu.

GPS není vodotěsný. Navigační systém závisí na rádiových vlnách, které se rychle rozkládají v kapalinách, včetně mořské vody. Vědci spoléhají na zvukový signál ke sledování podvodních objektů, jako jsou drony nebo velryby. Zvukové generátory však obvykle vyžadují velké, krátké baterie, které je třeba pravidelně vyměňovat. Mohli bychom se bez nich obejít?

S: vědci si to myslí. Postavili bezdrátový systém pro úpravu baterie s názvem Underwater Backscatter Localization (UBL). Místo vysílání vlastních akustických signálů UBL odráží signály modulované z jeho prostředí. Poskytuje výzkumným pracovníkům informace o poloze při nulové energii. Zatímco se technologie stále vyvíjí, UBL se jednoho dne může stát klíčovým nástrojem pro ochránce moře a vědce o klimatu – USA R Nav U.

Tyto pokroky jsou popsány v článku, který tento týden představili členové skupiny Signal Kinetics Group Media Lab na workshopu Network Thread společnosti Computing Machines Network. Na práci dohlížel výzkumník Reza Ff Afarivardavagh, jehož spoluautory jsou Sayed Saad Afzal, Osvi Rodriguez a Fadel Adib, který skupinu vede, a je předsedou Dohert’s Ocean Utilization, stejně jako MIT Media Lab. Předseda elektrotechniky և Výpočetní technika.

„Vláda má hlad“

Je téměř nemožné se vyhnout GPS, vnímání moderního života. Tato technologie, která je založena na satelitních rádiových signálech, se používá v nákladní dopravě, navigaci, cílené reklamě atd. GPS změnilo svět od svého zavedení v 70. a 80. letech. Ale to nezměnilo oceán. Pokud byste se museli schovávat před GPS, nejlépe byste byli pod vodou.

Vzhledem k tomu, že se rádiové vlny při pohybu vodou rychle zhoršují, se podvodní komunikace často spoléhá na akustické signály. Zvukové vlny cestují rychleji a více pod vodou než vzduch, což z nich činí efektivní prostředek pro odesílání dat. Ale je tu nevýhoda.

„Hlas je v platnosti,“ říká Adib. Chcete-li sledovat akustická signalizační zařízení, „jejich baterie se mohou velmi rychle vybít“. To ztěžuje přesné sledování předmětů nebo zvířat na dlouhých frontách. Výměna baterie není jednoduchý úkol, pokud je připojena k migračnímu bodu. Tým tedy vypadal, že bude používat hlas bez baterie.

Dobré vibrace

Skupina Adib se obrátila k jedinečnému zdroji, který se dříve používal pro nízkoenergetické hlasové signály. Piezoelektrické materiály. Tyto materiály generují svůj vlastní elektrický náboj v reakci na mechanické namáhání, jako jsou vibrační zvukové vlny. Piezoelektrické senzory pak mohou pomocí tohoto náboje selektivně odrážet určité zvukové vlny do svého prostředí. Přijímač převádí tuto sekvenci odrazů, nazvanou zpětný rozptyl, na příklad 1 (pro odražené zvukové vlny) և 0s (pro zvukové vlny, které se neodráží). Výsledný binární kód může obsahovat informace o teplotě nebo slanosti oceánu.

Stejná technologie by v zásadě mohla poskytovat informace o poloze. Monitorovací jednotka může vyzařovat zvukovou vlnu a poté sledovat, jak dlouho trvá, než se tato zvuková vlna odráží od piezoelektrického snímače, aby se vrátila do zobrazovací jednotky. Uplynulý čas lze použít k výpočtu vzdálenosti mezi pozorovatelem a piezoelektrickým senzorem. V praxi je však načasování takového návratu přesně komplikované, protože oceán může být reakční komorou.

Zvukové vlny se šíří nejen přímo přes pozorovací bod և senzor և. Je o ně postaráno mezi povrchem a mořským dnem a vracejí se k jednotce v různých časech. „Začnete čelit všem těmto myšlenkám,“ říká Adib. „Zkomplikuje to výpočet plochy.“ Ještě větší výzvou je záznam odrazů v povrchové vodě. Krátká vzdálenost od mořského dna և znamená, že signál turbulence je silnější.

Vědci vyřešili problém odrazu „frekvenčním letem“. Namísto posílání akustických signálů na jedné frekvenci zasílá monitorovací jednotka posloupnost signálů na několika frekvencích. Každá frekvence má jinou vlnovou délku, takže odražené zvukové vlny se vracejí do pozorovací jednotky v různých fázích. Kombinací informací o fázi Comb Time և může pozorovatel určit vzdálenost ke sledovacímu zařízení. Frekvenční skok byl pro vědce úspěšný při simulaci hluboké vody, ale potřebovali další záruku k omezení hluku povrchové vody.

Tam, kde se ozvěny šířily po mořském dně, museli vědci zpomalit tok informací. Zpomalili bitovou rychlost a v podstatě čekali déle na každý signál odeslaný monitorovací jednotkou. To umožnilo uhasit bity každého bitu, než mohl být smíchán další bit. Zatímco simulace hluboké vody měly bitovou rychlost 2 000 bitů za sekundu, vědci ji museli shromáždit v povrchové vodě až 100 bitů za sekundu, aby získali jasný odraz signálu od pozorovatele. Ale pomalý bit nevyřeší všechno.

Aby vědci mohli sledovat pohybující se objekty, museli se kousek po kousku zvyšovat. Tisíc bitů za sekundu bylo příliš pomalé na to, aby se přizpůsobilo simulovanému objektu pohybujícímu se vodou v hloubce 30 m / s. „Jakmile získáte dostatek informací k vyhledání objektu, již se přesunul ze své polohy,“ vysvětluje Afzal. Při rychlosti 10 000 bitů za sekundu byli schopni sledovat objekt hlubokou vodou.

Efektivní vyhledávání

Tým Adib pracuje na vylepšení technologie UBL částečným řešením výzev, jako je nízký datový tok vyžadovaný v povrchové vodě a vysoká bitová kolize vyžadovaná pro trakci. Dozvěděli se o pomalosti experimenty v Charles River. „Většinu experimentů jsme provedli loni v zimě,“ řekl Rodriguez. Zahrnovalo několik dní říčního ledu. „Nebylo to moc příjemné.“

Kromě podmínek testy poskytly důkaz koncepce v prostředí mělké vody. UBL odhadl vzdálenost od zpětnovazebního uzlu vysílače na různé vzdálenosti – až téměř půl metru. Tým pracuje na zvýšení dosahu UBL v terénu a doufají, že tento systém vyzkouší se svými kolegy z oceánografického institutu Cape Cod Wood Hole Oceanographic Institute.

Doufají, že UBL může pomoci podpořit průzkum oceánu. Ff Afarivardavagh uvádí, že vědci mají lepší mapy měsíčního povrchu než oceánské dno. „Proč nemůžeme poslat bezpilotní podvodní vozidla na misi prozkoumat oceán?“ Odpověď je. Ztratíme je, “řekl.

UBL může jednoho dne pomoci autonomním vozidlům zůstat pod vodou bez plýtvání drahou energií z baterie. Technologie může také pomoci podvodním robotům pracovat přesněji a poskytovat informace o dopadech změny klimatu v oceánu. „Existuje tolik aplikací,“ říká Adib. „Doufáme, že oceán pochopíme ve velkém měřítku. Je to dlouhodobá vize, ale na čem pracujeme, jsme nadšení. “

Tuto práci částečně podpořila kancelář námořního výzkumu.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Lipidy na membráně mozkových buněk jsou kvůli léčbě Alzheimerovy choroby většinou přehlíženy

Byly vytvořeny vazby mezi lipidovou nerovnováhou a onemocněním, kdy změny lipidů zvyšují tvorbu amyloidových plaků, což je rys Alzheimerovy choroby. Tato nerovnováha inspirovala...

Astrofyzici jsou překvapeni neočekávanými účinky černých děr mimo jejich vlastní galaxie

Umělecká kompozice supermasivní černé díry, která reguluje vývoj jejího prostředí. Autor obrázku: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC) a Dylan Nelson (Illustris-TNG) Ve středu téměř každé...

Největší australský dinosaurus – jižní titán – právě vstoupil do knih rekordů!

Australotitan cooperensis, „Southern Titan of the Cooper“. Fotografický kredit: Vlad Konstantinov, Scott Hocknull © Eromanga Natural History Museum Co je to basketbalové hřiště tak...

„Paralelní reaktory“ na bázi fotonických krystalových vláken odhalují kolektivní analogie hmotných a solitárních molekul

A. Schéma paralelních optických solitonových reaktorů založené na dutině prstencového vláknového laseru s režimem blokování. Časová optomechanická (OM) mříž umožněná fotonickými krystalovými...

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Newsletter

Subscribe to stay updated.