Ăng-ten 10 watt giúp robot dưới nước liên lạc xuyên 700 mét

Tại sao liên lạc dưới nước lại khó đến vậy

Nước biển là môi trường thù địch với hầu hết mọi tín hiệu không dây. Nước mặn hấp thụ sóng vô tuyến cực nhanh, buộc các thiết bị điện tử thông thường phải tiêu thụ công suất rất lớn hoặc dùng ăng-ten cồng kềnh mới truyền được thông tin qua lớp nước dày. Hệ quả là các robot tự hành dưới nước hiện nay chỉ trao đổi được những tín hiệu trạng thái thô sơ, rời rạc với nhau. Mỗi khi cần chia sẻ dữ liệu nhiệm vụ phức tạp hoặc nhận lệnh mới, chúng phải dừng hoạt động và di chuyển ngược lên mặt nước, một quá trình vừa chậm vừa tốn năng lượng.

Ý tưởng về BlueME xuất phát từ một mối liên hệ bất ngờ giữa hai thế giới tưởng như hoàn toàn khác nhau. TS. Adam Khalifa, thành viên nhóm nghiên cứu, vốn chuyên thiết kế thiết bị cấy ghép y tế không dây siêu nhỏ để truyền tín hiệu qua mô cơ và xương người. Trong quá trình đó, ông nhận ra cơ thể người về bản chất là một khối nước muối loãng, và những thách thức vật lý khi truyền tín hiệu qua mô sinh học gần như trùng khớp với những gì robot tự hành phải đối mặt dưới đáy biển. Từ nhận thức đó, nhóm mở ra hướng tiếp cận hoàn toàn mới cho bài toán thông tin liên lạc đại dương vốn bế tắc nhiều thập kỷ.

TS. Md Jahidul Islam và TS. Adam Khalifa hạ robot tự hành BlueME xuống mặt nước từ mạn tàu trong buổi thử nghiệm thực địa. Ảnh: Đại học Florida.

BlueME hoạt động theo nguyên lý nào

Thay vì cố ép tín hiệu mạnh xuyên qua nước, BlueME dùng mảng ăng-ten từ điện rung theo tần số cộng hưởng cơ học tự nhiên của vật liệu. Cơ chế này cho phép hệ thống phát ra tín hiệu điện từ ở dải tần số rất thấp và tần số thấp, hai dải sóng có khả năng xuyên qua nước đục, bùn lắng và môi trường hỗn loạn gần mặt nước mà hầu như không bị suy hao.

Điểm khác biệt so với công nghệ hiện có là rõ ràng. Sonar âm học bị ảnh hưởng bởi tiếng vang dưới nước và phản xạ địa hình đáy biển. Quang học laser mất hiệu quả ngay khi nước vẩn đục hoặc tầm nhìn thấp. Tín hiệu điện từ tần số thấp của BlueME không bị tác động bởi cả hai yếu tố đó.

Về tiêu thụ năng lượng, hệ thống hoạt động ở mức tối đa 10 watt, thấp hơn một camera stereo thông thường. TS. Md Jahidul Islam, người dẫn đầu dự án, nhấn mạnh rằng hiệu quả năng lượng là tiêu chí thiết kế cốt lõi, vì robot tự hành dưới nước vốn bị giới hạn nghiêm ngặt về pin và trọng tải. Với 10 watt, BlueME duy trì kết nối liên lạc độ trung thực cao giữa các robot ở khoảng cách vượt 700 mét.

Ứng dụng từ quân sự đến môi trường

Phạm vi ứng dụng của BlueME trải rộng trên nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực quân sự và an ninh biển, các hạm đội hải quân có thể triển khai đội drone phối hợp để rà soát mìn hoặc phát hiện mối nguy hiểm mà không cần đưa người vào vùng rủi ro. Trong ngành năng lượng ngoài khơi, các công ty có thể tự động hóa quy trình kiểm tra an toàn kết cấu đường ống dưới đáy biển sâu. Trong nghiên cứu môi trường, các nhà khoa học có thể theo dõi liên tục những biến động trong hệ sinh thái biển theo thời gian thực.

TS. Islam mô tả một kịch bản cụ thể: robot báo cáo về trung tâm điều hành mỗi 10 phút, và người vận hành có thể đưa ra quyết định tức thì, thậm chí điều chỉnh nhiệm vụ ngay trong khi robot vẫn đang hoạt động dưới nước. Đây là khả năng mà các hệ thống hiện tại hoàn toàn chưa đáp ứng được.

Con đường từ nguyên mẫu đến thương mại

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn đăng ký bằng sáng chế tạm thời cho công nghệ BlueME. Hiện họ đang tìm kiếm nguồn tài trợ và đối tác công nghiệp để nâng cấp nguyên mẫu và gắn hệ thống lên các tàu ngầm tự hành thương mại. Đây là giai đoạn chuyển đổi quen thuộc trong vòng đời một công nghệ mới, từ phòng thí nghiệm ra thị trường, và thường là nơi nhiều hứa hẹn bị kéo dài hoặc dừng lại vì thiếu vốn.

Tuy nhiên, nền tảng liên ngành của dự án, kết hợp chuyên môn robot biển của tiến sĩ Islam với kiến thức cấy ghép y tế của TS. Khalifa, tạo ra lợi thế khó sao chép. Ý tưởng ứng dụng nguyên lý truyền tín hiệu trong cơ thể người vào môi trường đại dương không xuất phát từ một phòng nghiên cứu đơn thuần về hải dương học, và đó chính là lý do BlueME giải quyết được bài toán mà các cách tiếp cận truyền thống bỏ ngỏ suốt nhiều thập kỷ.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng