フロリダ大学のチームは最近、BlueMEと呼ばれる新しい水中通信システムを開発したと発表しました。これは、自律型水中ロボット同士や水面上の人々との通信方法に革命を起こすことが期待されています。研究者らは、この技術は体内のワイヤレス埋め込み型デバイスに関する長年の研究から生まれたと述べた。そのアイデアは、人体の「軽い塩水環境」における電磁伝播の経験を、海のような同様の媒体に移すことです。
現時点では、従来の水中通信方法には独自の限界があります。水中では電波はほとんど役に立ちません。通常の無線信号は、海水中では 1 メートルあたり約 1 ～ 10 デシベル減衰します。多くの場合、わずか数フィートの距離でもです。音響通信は長距離伝送を実現できますが、ドップラー周波数シフトやマルチパス干渉などの要因の影響を受け、海洋生物に騒音被害を引き起こす可能性もあります。光学システムは、理想的な条件下では非常に高い帯域幅を備えていますが、直接の見通し線が必要です。水が濁ったり、生物付着により光学窓が劣化したりすると、性能が大幅に低下します。まとめると、ほとんどの水中ロボットは現在、非常に短いステータスの「ハートビート パケット」しか送信できないか、ミッション データをアップロードするために定期的に浮上する必要があるため、リアルタイムの自律機能が大幅に制限されています。
BlueME システムは、これらのボトルネックに対処するように設計されています。このシステムは磁電（ME）アンテナを使用し、自律型水中探査機（AUV）が家庭用LED電球よりも少ない約10ワットの電力を消費しながら、最長730メートルまでのデータ通信を実現できるようにする。研究チームによると、BlueMEは淡水環境ではわずか1ワットの電力で200メートルの距離でも安定した通信を維持でき、塩水環境では10ワット未満で730メートルの信号検出が可能で、水の濁りや障害物、マルチパス干渉の影響を受けないという。
このシステムの核となる革新は、磁歪材料と圧電セラミック材料を組み合わせて磁電アンテナを形成することです。具体的には、外部磁場によってメトグラスと呼ばれる磁歪層が変形し、この機械的変形により隣接する PZT 圧電層が電圧を生成します。逆の操作で信号の送信を完了できます。この電気機械結合設計のおかげで、このアンテナは、従来の同じ周波数の電気アンテナよりもはるかに小型でありながら、約 35 ～ 36 kHz の非常に低い周波数帯域で動作できます。
完全な BlueME システムは、3 × 5 アレイの 15 個のこれらのアンテナで構成され、深海環境で見られる巨大な静水圧のバランスを取るために油補償付きの防水ハウジングに収容されています。興味深いことに、研究者らは、この磁電アンテナが水に入ると性能が向上することを発見しました。36 kHz では、信号の波長は空気中では約 8,327 メートルでしたが、淡水中では約 170 メートルに圧縮され、小型アンテナの放射効率が大幅に向上しました。複数のアンテナの共同送信により、単一アンテナの場合と比較して放射電力が約 225 倍に増幅されます。一致する受信アレイと組み合わせると、理論上のリンク ゲインは約 119 デシベルに達します。
このプロジェクトはアダム・カリファ氏とモンド・ジャヒドゥル・イスラム氏が共同で主導しており、研究結果はIEEE Transactions on Ocean Engineeringに受理された。マイクロワイヤレス埋め込み型デバイスの設計に長年携わってきたハリファ氏は、ある日突然、人体と海の物理的性質の類似性に気づいたときのことを回想しています。「私たちの体は本質的に軽い塩水でできており、そのことが私たちに海洋通信についてまったく異なる方法で考えるようになりました。」
オープンウォーターテストでは、チームはフロリダ州ゲインズビルのウォーバーグ湖（淡水）とフロリダ湾岸（海水）でフィールド試験を実施し、さまざまな水条件下でのシステムの性能を検証しました。実験では、BlueME が水域の濁りや障害物やマルチパス反射の存在に関係なく、安定したリンクを維持できることが示されており、これは複雑な海洋環境での水中作業にとって実用的に重要です。
データレートに関して言えば、BlueME は現在、約 1 Kb/s ～ 100 Kb/s の伝送を達成していますが、これは理想的な条件下で光システムが達成できるギガビット速度を大幅に下回っています。しかし研究チームは、当初からのシステムの設計目標は極めて高い帯域幅を追求することではなく、環境への影響が少ない低消費電力、長距離、安定性、双方向リンクを実現することであったと強調した。 「ロボットが作業の進捗状況を 10 分ごとに報告し、オペレーターがこれに基づいてリアルタイムで作業を判断し、調整できることが考えられます。これは水中作業の柔軟性を向上させるのに十分重要です。」イスラム教は言いました。
論文の著者は、磁電アンテナが屋外環境で実用レベルで配備されたのはこれが初めてであり、これまでで最大の VLF/LF 磁電アンテナ アレイの 1 つであると指摘しました。チームは現在、仮特許出願を提出しており、ハードウェアを改良し、本格的な自律型水中車両プラットフォームで追加の航海試験を実施するためのさらなる資金を求めている。予想される将来のアプリケーションには、共同編隊ナビゲーション、海底地形マッピング、リアルタイム測位などの主要なシナリオが含まれます。
「私たちは非常に限られた初期リソースで現在の成果を達成しました。」 Khalifa 氏は、将来的に特別なエンジニアリング投資が得られ、大規模な展開が達成できれば、このプラットフォームの可能性は現在実証されている機能をはるかに超えるものになるだろうと強調しました。 Islam氏は現段階を「大きな可能性を秘めた製品の非常に初期段階」と表現し、BlueMEが水中通信や海洋ロボットの応用分野においてもまだ大きな想像力を持っていることを示唆した。