Pesquisadores do MIT demonstraram o primeiro sistema de rede e comunicação subaquática de consumo ultrabaixo, que pode transmitir sinais em distâncias em escala de quilômetros.

Esta técnica, que os investigadores começaram a desenvolver há vários anos, utiliza cerca de um milionésimo da energia que os métodos de comunicação subaquáticos existentes utilizam. Ao expandir o alcance de comunicação do seu sistema sem bateria, os pesquisadores tornaram a tecnologia mais viável para aplicações como aquicultura, previsão de furacões costeiros e modelagem de mudanças climáticas.

“O que começou como uma ideia intelectual muito interessante há alguns anos – comunicação subaquática com potência um milhão de vezes menor – agora é prático e realista. Ainda existem alguns desafios técnicos interessantes a serem enfrentados, mas há um caminho claro de onde estamos agora para a implantação”, diz Fadel Adib, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor do grupo Signal Kinetics no Laboratório de mídia do MIT.

O retroespalhamento subaquático permite a comunicação de baixa potência, codificando dados em ondas sonoras que reflete ou espalha de volta em direção a um receptor. Estas inovações permitem que os sinais refletidos sejam direcionados com mais precisão à sua fonte.

Devido a esta “retrodiretividade”, menos sinal se espalha nas direções erradas, permitindo uma comunicação mais eficiente e de maior alcance.

Quando testado em um rio e em um oceano, o dispositivo retrodiretivo exibiu um alcance de comunicação 15 vezes maior que os dispositivos anteriores. No entanto, os experimentos foram limitados pela extensão das docas à disposição dos pesquisadores.

Para compreender melhor os limites da retrodifusão subaquática, a equipe também desenvolveu um modelo analítico para prever o alcance máximo da tecnologia. O modelo, que eles validaram usando dados experimentais, mostrou que seu sistema retrodiretivo poderia se comunicar através de distâncias em escala de quilômetros.

Os pesquisadores compartilharam essas descobertas em dois artigos que serão apresentados nas conferências ACM SIGCOMM e MobiCom deste ano. Adib, autor sênior de ambos os artigos, é acompanhado no artigo da SIGCOMM pelos co-autores principais Aline Eid, ex-pós-doutorado que agora é professora assistente na Universidade de Michigan, e Jack Rademacher, assistente de pesquisa; bem como os assistentes de pesquisa Waleed Akbar e Purui Wang, e o pós-doutorado Ahmed Allam. O artigo da MobiCom também foi escrito pelos coautores principais Akbar e Allam.

Os dispositivos de comunicação de retroespalhamento subaquático utilizam uma série de nós feitos de materiais “piezoelétricos” para receber e refletir ondas sonoras. Esses materiais produzem um sinal elétrico quando uma força mecânica é aplicada a eles.

Quando as ondas sonoras atingem os nós, elas vibram e convertem a energia mecânica em carga elétrica. Os nós usam essa carga para espalhar parte da energia acústica de volta à fonte, transmitindo dados que um receptor decodifica com base na sequência de reflexões.

Mas como o sinal retroespalhado viaja em todas as direções, apenas uma pequena fração chega à fonte, reduzindo a intensidade do sinal e limitando o alcance da comunicação.

Para superar este desafio, os investigadores utilizaram um dispositivo de rádio com 70 anos chamado conjunto Van Atta, no qual pares simétricos de antenas são ligados de tal forma que o conjunto reflecte a energia de volta na direcção de onde veio.

Mas conectar nós piezoelétricos para formar uma matriz Van Atta reduz sua eficiência. Os pesquisadores evitaram esse problema colocando um transformador entre pares de nós conectados. O transformador, que transfere energia elétrica de um circuito para outro, permite que os nós reflitam a quantidade máxima de energia de volta à fonte.

“Ambos os nós estão recebendo e ambos os nós estão refletindo, então é um sistema muito interessante. À medida que aumenta o número de elementos nesse sistema, você constrói uma matriz que permite alcançar alcances de comunicação muito mais longos”, explica Eid.

Além disso, eles usaram uma técnica chamada comutação de polaridade cruzada para codificar dados binários no sinal refletido. Cada nó tem um terminal positivo e um terminal negativo (como uma bateria de carro), portanto, quando os terminais positivos de dois nós estão conectados e os terminais negativos de dois nós estão conectados, esse sinal refletido é um “bit”.

Mas se os pesquisadores mudarem a polaridade e os terminais negativo e positivo forem conectados um ao outro, então o reflexo será um “bit zero”.

“Apenas conectar os nós piezoelétricos não é suficiente. Ao alternar as polaridades entre os dois nós, conseguimos transmitir dados de volta ao receptor remoto”, explica Rademacher.

Ao construir a matriz Van Atta, os pesquisadores descobriram que se os nós conectados estivessem muito próximos, eles bloqueariam os sinais uns dos outros. Eles desenvolveram um novo design com nós escalonados que permite que os sinais cheguem ao array de qualquer direção. Com esse design escalável, quanto mais nós um array tiver, maior será o seu alcance de comunicação.

Eles testaram o conjunto em mais de 1.500 testes experimentais no rio Charles, em Cambridge, Massachusetts, e no Oceano Atlântico, na costa de Falmouth, Massachusetts, em colaboração com o Woods Hole Oceanographic Institution. O dispositivo alcançou alcance de comunicação de 300 metros, mais de 15 vezes maior do que o demonstrado anteriormente.

No entanto, eles tiveram que interromper os experimentos porque ficaram sem espaço no cais.

Isso inspirou os pesquisadores a construir um modelo analítico para determinar os limites teóricos e práticos de comunicação desta nova tecnologia de retroespalhamento subaquático.

Com base no trabalho do grupo sobre RFIDs, a equipe elaborou cuidadosamente um modelo que capturasse o impacto dos parâmetros do sistema, como o tamanho dos nós piezoelétricos e a potência de entrada do sinal, na faixa de operação subaquática do dispositivo.

“Não é uma tecnologia de comunicação tradicional, então é preciso entender como quantificar o reflexo. Quais são as funções dos diferentes componentes nesse processo?” Akbar diz.

Por exemplo, os pesquisadores precisavam derivar uma função que capturasse a quantidade de sinal refletido em um nó piezoelétrico subaquático de tamanho específico, o que foi um dos maiores desafios do desenvolvimento do modelo, acrescenta.

Eles usaram esses insights para criar um modelo plug-and-play no qual um usuário poderia inserir informações como potência de entrada e dimensões do nó piezoelétrico e receber uma saída que mostrasse o alcance esperado do sistema.

Eles avaliaram o modelo com base em dados de seus testes experimentais e descobriram que ele poderia prever com precisão o alcance dos sinais acústicos retrodirigidos com um erro médio inferior a um decibel.

Usando este modelo, eles mostraram que uma matriz de retroespalhamento subaquático pode potencialmente atingir alcances de comunicação de quilômetros de extensão.

“Estamos criando uma nova tecnologia oceânica e impulsionando-a para o reino das coisas que temos feito para as redes celulares 6G. Para nós é muito gratificante porque começamos a ver isso agora muito próximo da realidade”, afirma Adib.

Os pesquisadores planejam continuar estudando matrizes Van Atta de retroespalhamento subaquático, talvez usando barcos para que possam avaliar alcances de comunicação mais longos. Ao longo do caminho, pretendem lançar ferramentas e conjuntos de dados para que outros investigadores possam desenvolver o seu trabalho. Ao mesmo tempo, estão começando a avançar em direção à comercialização desta tecnologia.

“O alcance limitado tem sido um problema aberto em redes de retroespalhamento subaquático, impedindo-as de serem usadas em aplicações do mundo real. Este artigo dá um passo significativo no futuro da comunicação subaquática, permitindo-lhes operar com energia mínima e ao mesmo tempo alcançar longo alcance”, diz Omid Abari, professor assistente de ciência da computação na Universidade da Califórnia em Los Angeles, que não esteve envolvido com este trabalho. “O artigo é o primeiro a trazer a técnica de arranjo de refletores Van Atta para configurações de retroespalhamento subaquático e demonstrar seus benefícios na melhoria do alcance de comunicação em ordens de magnitude. Isto pode levar a comunicação subaquática sem bateria um passo mais perto da realidade, permitindo aplicações como a monitorização subaquática das alterações climáticas e a monitorização costeira.”

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo Office of Naval Research, pela Sloan Research Fellowship, pela National Science Foundation, pelo MIT Media Lab e pela Doherty Chair in Ocean Utilization.