Exploration océanique sans batterie: système de navigation sous-marine MIT alimenté par le son

Une nouvelle approche pourrait déclencher une ère d’exploration des océans sans batterie, avec des applications allant de la conservation marine à l’aquaculture.

Le GPS n’est pas étanche. Le système de navigation dépend des ondes radio, qui se décomposent rapidement dans les liquides, y compris l’eau de mer. Pour suivre les objets sous-marins comme les drones ou les baleines, les chercheurs s’appuient sur la signalisation acoustique. Mais les appareils qui génèrent et envoient du son nécessitent généralement des piles – des piles volumineuses et de courte durée qui doivent être remplacées régulièrement. Pouvons-nous nous en passer?

Les chercheurs du MIT le pensent. Ils ont construit un système de localisation sans batterie appelé Underwater Backscatter Localization (UBL). Plutôt que d’émettre ses propres signaux acoustiques, l’UBL réfléchit les signaux modulés de son environnement. Cela fournit aux chercheurs des informations de positionnement, à énergie nette zéro. Bien que la technologie soit encore en développement, l’UBL pourrait un jour devenir un outil clé pour les conservateurs marins, les climatologues et la marine américaine.

Ces avancées sont décrites dans un article présenté cette semaine à l’atelier Hot Topics in Networks de l’Association for Computing Machinery, par des membres du groupe Signal Kinetics du Media Lab. Le chercheur scientifique Reza Ghaffarivardavagh a dirigé l’article, aux côtés des co-auteurs Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez et Fadel Adib, qui dirige le groupe et est titulaire de la Chaire Doherty sur l’utilisation des océans ainsi que professeur associé au MIT Media Lab et au MIT. Département de génie électrique et informatique.

« Avide de pouvoir »

Il est presque impossible d’échapper à l’emprise du GPS sur la vie moderne. La technologie, qui repose sur des signaux radio transmis par satellite, est utilisée dans le transport maritime, la navigation, la publicité ciblée, etc. Depuis son introduction dans les années 70 et 80, le GPS a changé le monde. Mais cela n’a pas changé l’océan. Si vous deviez vous cacher du GPS, votre meilleur pari serait sous l’eau.

Étant donné que les ondes radio se détériorent rapidement lorsqu’elles se déplacent dans l’eau, les communications sous-marines dépendent souvent des signaux acoustiques. Les ondes sonores voyagent plus vite et plus loin sous l’eau que dans l’air, ce qui en fait un moyen efficace d’envoyer des données. Mais il y a un inconvénient.

«Le son est gourmand en énergie», déclare Adib. Pour les appareils de suivi qui produisent des signaux acoustiques, «leurs batteries peuvent se vider très rapidement». Cela rend difficile le suivi précis des objets ou des animaux pendant une longue période – le changement d’une batterie n’est pas une tâche simple lorsqu’elle est attachée à une baleine en migration. L’équipe a donc cherché un moyen d’utiliser le son sans batterie.

Bonnes vibrations

Le groupe d’Adib s’est tourné vers une ressource unique qu’il utilisait auparavant pour la signalisation acoustique de faible puissance: les matériaux piézoélectriques. Ces matériaux génèrent leur propre charge électrique en réponse à des contraintes mécaniques, comme se faire piquer par des ondes sonores vibrantes. Les capteurs piézoélectriques peuvent ensuite utiliser cette charge pour renvoyer sélectivement certaines ondes sonores dans leur environnement. Un récepteur traduit cette séquence de réflexions, appelée rétrodiffusion, en un motif de 1 (pour les ondes sonores réfléchies) et de 0 (pour les ondes sonores non réfléchies). Le code binaire résultant peut contenir des informations sur la température ou la salinité des océans.

En principe, la même technologie pourrait fournir des informations de localisation. Une unité d’observation pourrait émettre une onde sonore, puis chronométrer le temps nécessaire à cette onde sonore pour se refléter sur le capteur piézoélectrique et revenir à l’unité d’observation. Le temps écoulé pourrait être utilisé pour calculer la distance entre l’observateur et le capteur piézoélectrique. Mais en pratique, la synchronisation d’une telle rétrodiffusion est compliquée, car l’océan peut être une chambre d’écho.

Les ondes sonores ne se déplacent pas seulement directement entre l’unité d’observation et le capteur. Ils se déplacent également entre la surface et le fond marin, retournant à l’unité à des moments différents. «Vous commencez à rencontrer toutes ces réflexions», dit Adib. «Cela complique le calcul de l’emplacement.» La prise en compte des réflexions est un défi encore plus grand en eau peu profonde – la courte distance entre le fond marin et la surface signifie que les signaux de rebond confondants sont plus forts.

Les chercheurs ont surmonté le problème de la réflexion avec un «saut de fréquence». Plutôt que d’envoyer des signaux acoustiques à une seule fréquence, l’unité d’observation envoie une séquence de signaux sur une gamme de fréquences. Chaque fréquence a une longueur d’onde différente, de sorte que les ondes sonores réfléchies reviennent à l’unité d’observation à des phases différentes. En combinant des informations sur la synchronisation et la phase, l’observateur peut déterminer la distance par rapport au dispositif de suivi. Le saut de fréquence a été un succès dans les simulations en eau profonde des chercheurs, mais ils avaient besoin d’une protection supplémentaire pour couper le bruit réverbérant des eaux peu profondes.

Là où les échos rampent entre la surface et le fond marin, les chercheurs ont dû ralentir le flux d’informations. Ils ont réduit le débit binaire, attendant essentiellement plus longtemps entre chaque signal émis par l’unité d’observation. Cela a permis aux échos de chaque bit de s’éteindre avant d’interférer potentiellement avec le bit suivant. Alors qu’un débit de 2000 bits / seconde suffisait dans les simulations en eau profonde, les chercheurs ont dû le réduire à 100 bits / seconde en eau peu profonde pour obtenir une réflexion claire du signal du tracker. Mais un débit binaire lent n’a pas tout résolu.

Pour suivre les objets en mouvement, les chercheurs devaient en fait augmenter le débit binaire. Un millier de bits / seconde était trop lent pour identifier un objet simulé se déplaçant dans des eaux profondes à 30 centimètres / seconde. «Au moment où vous obtenez suffisamment d’informations pour localiser l’objet, il a déjà bougé de sa position», explique Afzal. À une vitesse de 10 000 bits / seconde, ils ont pu suivre l’objet à travers les eaux profondes.

Exploration efficace

L’équipe d’Adib travaille à améliorer la technologie UBL, en partie en résolvant des défis tels que le conflit entre le faible débit requis en eau peu profonde et le débit élevé nécessaire pour suivre les mouvements. Ils sont en train de résoudre les problèmes grâce à des tests dans la rivière Charles. «Nous avons fait la plupart des expériences l’hiver dernier», explique Rodriguez. Cela comprenait quelques jours avec de la glace sur la rivière. «Ce n’était pas très agréable.

Mis à part les conditions, les tests ont fourni une preuve de concept dans un environnement difficile en eau peu profonde. UBL a estimé la distance entre un émetteur et un nœud de rétrodiffusion à diverses distances jusqu’à près d’un demi-mètre. L’équipe travaille à augmenter la portée de l’UBL sur le terrain et espère tester le système avec ses collaborateurs à la Wood Hole Oceanographic Institution à Cape Cod.

Ils espèrent que l’UBL pourra contribuer à un boom de l’exploration océanique. Ghaffarivardavagh note que les scientifiques ont de meilleures cartes de la surface de la lune que du fond de l’océan. «Pourquoi ne pouvons-nous pas envoyer des véhicules sous-marins sans pilote en mission pour explorer l’océan? La réponse est: nous les perdrons », dit-il.

UBL pourrait un jour aider les véhicules autonomes à rester sous l’eau, sans dépenser de précieuses batteries. La technologie pourrait également aider les robots sous-marins à travailler plus précisément et à fournir des informations sur les impacts du changement climatique dans l’océan. «Il y a tellement d’applications», dit Adib. «Nous espérons comprendre l’océan à grande échelle. C’est une vision à long terme, mais c’est ce vers quoi nous travaillons et ce qui nous passionne.

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