Hệ thống định vị dưới nước không cần pin

Các nhà khoa học hiện nay có trong tay bản đồ bề mặt Mặt trăng chính xác hơn so với đáy đại dương. Nhưng công nghệ định vị mới không cần pin của nhóm các nhà nghiên cứu ở MIT có thể thúc đẩy sự bùng nổ trong khám phá đại dương.

"Đói điện"

Cuộc sống hiện đại gần như không thể thoát khỏi hệ thống định vị toàn cầu GPS. Công nghệ này, dựa trên tín hiệu vô tuyến truyền qua vệ tinh, được sử dụng trong vận chuyển, điều hướng, quảng cáo nhắm mục tiêu, v.v... Kể từ khi được giới thiệu vào những năm 1970 và 1980, GPS đã thay đổi thế giới. Nhưng nó không thay đổi đại dương. Nếu bạn muốn trốn khỏi GPS, cách tốt nhất là xuống dưới nước.

Bởi vì sóng vô tuyến nhanh chóng suy yếu khi chúng di chuyển trong nước. Vì thế, liên lạc dưới biển thường phụ thuộc vào tín hiệu âm thanh. Sóng âm truyền đi nhanh hơn và xa hơn dưới nước so với trong không khí, trở thành một cách hiệu quả để gửi dữ liệu dưới nước. Nhưng sóng âm có một nhược điểm.

"Âm thanh rất ngốn điện", Fadel Adib, người dẫn đầu nghiên cứu mới ở Media Lab, MIT, cho biết. Để gửi thông tin (nhiệt độ, độ mặn của nước hay vị trí, v.v...) về bộ phận thu tín hiệu, các thiết bị đánh dấu trên biển phải tạo ra tín hiệu âm thanh và do đó hết pin rất nhanh. Vì thế rất khó theo dõi chính xác các đối tượng dưới biển trong một khoảng thời gian dài. Chẳng hạn, một thiết bị đánh dấu gắn vào một con cá voi đang di cư thì rất khó thay pin, hoặc một robot tự hành dưới biển sâu với lượng năng lượng hạn chế. Vì vậy, nhóm Media Lab đã tìm cách tạo ra thiết bị đánh dấu sử dụng âm thanh mà không tốn pin, có tên Underwater Backscatter Localization (UBL), nhờ dựa trên vật liệu áp điện.

Thiết bị đánh dấu mới sử dụng vật liệu và cảm biến áp điện.

Nguyên tắc vận hành

Vật liệu áp điện tạo ra điện tích riêng của chúng để phản ứng với ứng suất cơ học, giống như chúng được kích hoạt bởi sóng âm rung động. Sau đó, cảm biến áp điện có thể sử dụng điện tích mà vật liệu áp điện phát ra để phản xạ có chọn lọc một số sóng âm trở lại môi trường, thay vì tự tạo ra âm thanh. Bộ phận thu tín hiệu phiên dịch chuỗi phản xạ từ các thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện, gọi là tán xạ ngược, thành dạng mã nhị phân: 1 (đối với sóng âm phản xạ) và 0 (đối với sóng âm không phản xạ). Kết quả là mã nhị phân thu được từ thiết bị đánh dấu có thể mang thông tin về nhiệt độ nước biển hoặc độ mặn.

Về nguyên tắc, công nghệ này cũng có thể cung cấp thông tin vị trí để định vị các vật thể dưới biển, như cá voi hoặc robot tự hành. Một bộ thu phát sóng có thể phát ra sóng âm, sóng âm đi đến thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện và phản xạ lại thiết bị thu phát. Đồng hồ sẽ ghi lại thời gian sóng âm di chuyển, và dựa vào đó để tính khoảng cách giữa thiết bị thu phát và thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện.

Nhưng trên thực tế, việc xác định thời gian tán xạ ngược như vậy rất phức tạp, bởi vì đại dương có thể là một buồng dội âm. Sóng âm thanh không chỉ truyền trực tiếp giữa thiết bị quan sát và cảm biến trên thiết bị đánh dấu mà còn bị ảnh hưởng bởi bề mặt và đáy biển, khiến cho thời gian di chuyển khác nhau tùy thời điểm. Những điều kiện môi trường phản xạ xung quanh sẽ gây nhiễu và làm cho việc tính toán vị trí trở nên phức tạp.

Các nhà nghiên cứu đã khắc phục vấn đề này bằng “nhảy tần”. Thay vì gửi tín hiệu âm thanh ở một tần số duy nhất, thiết bị quan sát sẽ gửi một chuỗi tín hiệu trên một dải tần số. Mỗi tần số có một bước sóng khác nhau nên sóng âm phản xạ trở lại đơn vị quan sát ở các thời điểm khác nhau. Bằng cách kết hợp thông tin về thời gian di chuyển và chênh lệch thời điểm giữa các tần số, người quan sát có thể xác định chính xác khoảng cách đến thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện.

Nhảy tần đã thành công trong thử nghiệm mô phỏng vùng nước sâu, nhưng vẫn cần biện pháp bảo vệ bổ sung để loại bỏ tiếng ồn dội lại lớn hơn ở các vùng nước nông.

Trong môi trường nhiều tiếng vọng như vậy, các nhà nghiên cứu phải làm chậm dòng thông tin. Họ giảm tốc độ bit, về cơ bản là giảm tốc độ gửi tín hiệu. Cách này cho phép tiếng vọng của từng tín hiệu giảm đi trước khi có khả năng gây nhiễu cho tín hiệu tiếp theo. Trong khi tốc độ gửi 2.000 bit/ giây đủ để tránh nhiễu ở vùng nước sâu, các nhà nghiên cứu phải điều chỉnh xuống 100 bit/ giây ở vùng nước nông để thu được tín hiệu phản xạ rõ ràng từ thiết bị đánh dấu mang cảm biến áp điện.

Để theo dõi các đối tượng chuyển động, các nhà nghiên cứu phải tăng tốc độ gửi tín hiệu. Trong mô phỏng, 1.000 bit/ giây là quá chậm để xác định chính xác một vật thể mang thiết bị đánh dấu đang di chuyển qua vùng nước sâu với tốc độ 30cm/ giây. "Vào thời điểm bạn có đủ thông tin để khoanh vùng đối tượng, nó đã di chuyển khỏi vị trí cũ", Afzal giải thích. Với tốc độ 10.000 bit/ giây, họ đã có thể theo dõi vật thể mang thiết bị đánh dấu qua vùng nước sâu.

Tiềm năng khám phá đại dương

Nhóm của Adib đang nỗ lực cải tiến công nghệ UBL, giải quyết những thách thức như xung đột giữa tốc độ bit thấp cần thiết ở vùng nước nông và tốc độ bit cao cần thiết để theo dõi vật thể chuyển động.

Nhìn chung, các thử nghiệm của nhóm đã đưa ra một thiết bị trình diễn đáng chú ý ngay cả trong môi trường nhiều nhiễu như khu vực nước nông. Họ hy vọng UBL có thể góp phần thúc đẩy sự bùng nổ trong khám phá đại dương. Reza Ghaffarivardavagh, đồng tác giả nghiên cứu, lưu ý rằng các nhà khoa học hiện nay có bản đồ bề mặt mặt trăng chính xác hơn so với đáy đại dương. “Tại sao chúng ta không thể gửi các phương tiện không người lái dưới nước xuống khám phá đại dương? Câu trả lời là vì chúng ta sẽ mất chúng”, Ghaffarivardavagh nói. GPS có thể hoạt động ngoài không gian nhưng không hoạt động được dưới đáy biển, còn sóng âm hiện nay thì quá tốn năng lượng.

Một ngày nào đó, UBL có thể giúp định vị các phương tiện tự hành dưới nước mà không tốn năng lượng pin quý giá. Công nghệ này cũng có thể giúp các robot dưới biển hoạt động chính xác hơn và cung cấp thông tin về tác động của biến đổi khí hậu trong đại dương. Theo Adib, “Có rất nhiều ứng dụng. Chúng tôi hy vọng sẽ hiểu đại dương trên quy mô lớn".

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ và đã được công bố tại hội thảo của Hiệp hội Tính toán Hoa Kỳ.