Sistem navigasi bawah air yang didukung oleh suara
Engine

Sistem navigasi bawah air yang didukung oleh suara


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

GPS tidak tahan air. Sistem navigasi bergantung pada gelombang radio, yang dengan cepat terurai dalam cairan, termasuk air laut. Untuk melacak objek bawah laut seperti drone atau paus, para peneliti mengandalkan sinyal akustik. Namun perangkat yang menghasilkan dan mengirimkan suara biasanya memerlukan baterai — baterai besar dan tahan lama yang perlu diganti secara teratur. Bisakah kita melakukannya tanpa mereka?

Peneliti MIT berpikir demikian. Mereka telah membangun sistem penunjuk tanpa baterai yang disebut Underwater Backscatter Localization (UBL). Daripada memancarkan sinyal akustiknya sendiri, UBL mencerminkan sinyal termodulasi dari lingkungannya. Itu memberi peneliti informasi pemosisian, pada energi nol-bersih. Meski teknologinya terus berkembang, UBL suatu saat bisa menjadi alat kunci bagi pelestari kelautan, ilmuwan iklim, dan Angkatan Laut AS.

Kemajuan ini dijelaskan dalam makalah yang dipresentasikan minggu ini di lokakarya Association for Computing Machinery’s Hot Topics in Networks, oleh anggota grup Signal Kinetics Media Lab. Ilmuwan Riset Reza Ghaffarivardavagh memimpin makalah ini, bersama dengan rekan penulis Sayed Saad Afzal, Osvy Rodriguez, dan Fadel Adib, yang memimpin grup dan merupakan Ketua Doherty dari Pemanfaatan Laut serta profesor di MIT Media Lab dan MIT Jurusan Teknik Elektro dan Ilmu Komputer.

“Haus kekuasaan”

Hampir tidak mungkin untuk lepas dari genggaman GPS tentang kehidupan modern. Teknologi tersebut, yang mengandalkan sinyal radio yang dipancarkan satelit, digunakan dalam pengiriman, navigasi, iklan bertarget, dan banyak lagi. Sejak diperkenalkan pada 1970-an dan 80-an, GPS telah mengubah dunia. Tapi itu tidak mengubah lautan. Jika Anda harus bersembunyi dari GPS, taruhan terbaik Anda adalah di bawah air.

Karena gelombang radio cepat rusak saat bergerak melalui air, komunikasi bawah laut sering kali bergantung pada sinyal akustik. Gelombang suara merambat lebih cepat dan lebih jauh di bawah air daripada melalui udara, menjadikannya cara yang efisien untuk mengirim data. Tapi ada kekurangannya.

“Suara itu haus kekuasaan,” kata Adib. Untuk perangkat pelacak yang menghasilkan sinyal akustik, “baterainya dapat habis dengan sangat cepat.” Hal ini membuat sulit untuk melacak objek atau hewan dengan tepat untuk jangka waktu yang lama — mengganti baterai bukanlah tugas yang mudah saat dipasang pada paus yang bermigrasi. Jadi, tim mencari cara bebas baterai untuk menggunakan suara.

Getaran yang bagus

Kelompok Adib beralih ke sumber daya unik yang sebelumnya mereka gunakan untuk pensinyalan akustik berdaya rendah: bahan piezoelektrik. Bahan-bahan ini menghasilkan muatan listriknya sendiri sebagai respons terhadap tekanan mekanis, seperti disetrum dengan gelombang suara yang bergetar. Sensor piezoelektrik kemudian dapat menggunakan muatan itu untuk secara selektif merefleksikan beberapa gelombang suara kembali ke lingkungannya. Penerima menerjemahkan urutan refleksi itu, 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 lokasi. Sebuah unit observasi dapat memancarkan gelombang suara, kemudian menghitung berapa lama gelombang suara tersebut dipantulkan dari sensor piezoelektrik dan kembali ke unit observasi. Waktu yang telah berlalu dapat digunakan untuk menghitung jarak antara pengamat dan sensor piezoelektrik. Namun dalam praktiknya, pengaturan waktu hamburan balik semacam itu rumit, karena lautan bisa menjadi ruang gema.

Gelombang suara tidak hanya bergerak langsung antara unit observasi dan sensor. Mereka juga bergerak di antara permukaan dan dasar laut, kembali ke unit pada waktu yang berbeda. “Anda mulai mengalami semua refleksi ini,” kata Adib. “Itu membuatnya rumit untuk menghitung lokasi.” Penghitungan refleksi merupakan tantangan yang lebih besar di perairan dangkal — jarak pendek antara dasar laut dan permukaan berarti sinyal pantulan perancu lebih kuat.

Para peneliti mengatasi masalah refleksi dengan “frekuensi hopping.” Daripada mengirimkan sinyal akustik pada satu frekuensi, unit observasi mengirimkan urutan sinyal ke berbagai frekuensi. Setiap frekuensi memiliki panjang gelombang yang berbeda, sehingga gelombang suara yang dipantulkan kembali ke unit pengamatan pada fase yang berbeda. Dengan menggabungkan informasi tentang waktu dan fase, pengamat dapat menunjukkan jarak ke alat pelacak. Frekuensi hopping berhasil dalam simulasi perairan dalam para peneliti, tetapi mereka membutuhkan pengamanan tambahan untuk memotong suara bergema dari air dangkal.

Di mana gema merajalela 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 mereda sebelum berpotensi mengganggu bit berikutnya. Sedangkan bitrate 2.000 bit / detik cukup untuk simulasi perairan dalam, para peneliti harus menurunkannya ke 100 bit / detik di air dangkal untuk mendapatkan pantulan sinyal yang jelas dari pelacak. Tapi bitrate lambat tidak menyelesaikan semuanya.

Untuk melacak objek bergerak, para peneliti sebenarnya harus meningkatkan bitrate. Seribu bit / detik terlalu lambat untuk menentukan objek simulasi yang bergerak melalui air dalam dengan kecepatan 30 sentimeter / detik. “Pada saat Anda mendapatkan informasi yang cukup untuk melokalkan objek, itu sudah berpindah dari posisinya,” jelas Afzal. Dengan kecepatan 10.000 bit / detik, mereka mampu melacak objek melalui air yang dalam.

Eksplorasi yang efisien

Tim Adib sedang bekerja untuk meningkatkan teknologi UBL, antara lain dengan memecahkan tantangan seperti konflik antara bitrate rendah yang dibutuhkan di perairan dangkal dan bitrate tinggi yang diperlukan untuk melacak pergerakan. Mereka sedang mengatasi masalah melalui 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 tersebut memberikan bukti konsep dalam lingkungan perairan dangkal yang menantang. UBL memperkirakan jarak antara transmitter dan node backscatter pada berbagai jarak hingga hampir setengah meter. Tim sedang bekerja untuk meningkatkan jangkauan UBL di lapangan, dan mereka berharap dapat menguji sistem tersebut dengan kolaborator mereka di Lembaga Oseanografi Lubang Kayu di Cape Cod.

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

UBL suatu hari nanti dapat membantu kendaraan otonom tetap ditemukan di bawah air, tanpa menghabiskan daya baterai yang berharga. Teknologi tersebut juga dapat membantu robot bawah laut bekerja lebih tepat, 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 upayakan dan yang kami sukai.”

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


Sensor bebas baterai untuk eksplorasi bawah air


Informasi lebih lanjut:
Reza Ghaffarivardavagh dkk. Lokalisasi Backscatter Bawah Air, Prosiding Lokakarya ACM ke-19 tentang Topik Hangat di Jaringan (2020). DOI: 10.1145 / 3422604.3425950

Disediakan oleh Massachusetts Institute of Technology

Kisah ini diterbitkan ulang atas izin MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), situs populer yang meliput berita tentang penelitian, inovasi, dan pengajaran MIT.

Kutipan: Sistem navigasi bawah air yang didukung oleh suara (2020, 2 November) diakses 27 November 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-11-underwater-powered.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Lagu togel