Un equipo de la Universidad de Florida anunció recientemente que ha desarrollado un nuevo sistema de comunicación submarina llamado BlueME, que se espera que revolucione la forma en que los robots submarinos autónomos se comunican entre sí y con las personas en la superficie. Los investigadores dijeron que esta tecnología se originó a partir de años de investigación sobre dispositivos inalámbricos implantables en el cuerpo. La idea es transferir la experiencia de propagación electromagnética en el "entorno de agua salada ligera" del cuerpo humano a un medio similar como el océano.

En la actualidad, los métodos tradicionales de comunicación submarina tienen sus propias limitaciones. Las ondas de radio son de poca utilidad bajo el agua, donde las señales inalámbricas normales se atenúan entre 1 y 10 decibeles por metro en agua salada, a menudo en una distancia de sólo unos pocos pies. Aunque la comunicación acústica puede lograr una transmisión a mayor distancia, se verá afectada por factores como el cambio de frecuencia Doppler y la interferencia multitrayectoria, y también puede causar daños por ruido a la vida marina. Los sistemas ópticos tienen un ancho de banda extremadamente alto en condiciones ideales, pero requieren una línea de visión directa. Una vez que el agua esté turbia o la ventana óptica se degrade debido a la adhesión biológica, el rendimiento se reducirá considerablemente. En conjunto, la mayoría de los robots submarinos ahora sólo pueden enviar "paquetes de latidos" de estado muy cortos o deben salir a la superficie periódicamente para cargar datos de la misión, lo que limita gravemente sus capacidades de autonomía en tiempo real.

El sistema BlueME está diseñado para abordar estos obstáculos. El sistema utiliza una antena magnetoeléctrica (ME) para permitir que los vehículos submarinos autónomos (AUV) logren comunicación de datos hasta 730 metros mientras consumen sólo unos 10 vatios de energía, que es menos que una bombilla LED doméstica. Según el equipo de investigación, en un entorno de agua dulce, BlueME puede mantener una comunicación estable a una distancia de 200 metros con sólo 1 vatio de potencia, y en un entorno de agua salada, puede lograr la detección de señales a 730 metros con menos de 10 vatios, y no se ve afectado por la turbidez del agua, los obstáculos o la interferencia de trayectorias múltiples.

La principal innovación de este sistema es acoplar materiales magnetoestrictivos con materiales cerámicos piezoeléctricos para formar una antena magnetoeléctrica. Específicamente, el campo magnético externo deforma la capa magnetoestrictiva llamada Metglas, y esta deformación mecánica induce a la capa piezoeléctrica PZT adyacente a generar voltaje; la operación inversa puede completar la emisión de la señal. Gracias a este diseño de acoplamiento electromecánico, la antena puede funcionar en la banda de frecuencia muy baja de aproximadamente 35 a 36 kHz y, al mismo tiempo, es mucho más pequeña que las antenas eléctricas tradicionales de la misma frecuencia.

El sistema BlueME completo consta de 15 de estas antenas en un conjunto de 3×5, alojadas en una carcasa impermeable con compensación de aceite para equilibrar la enorme presión hidrostática que se encuentra en entornos de aguas profundas. Curiosamente, los investigadores descubrieron que el rendimiento de esta antena magnetoeléctrica mejoraba después de entrar en el agua: a 36 kHz, la longitud de onda de la señal era de unos 8.327 metros en el aire, pero se comprimiba a unos 170 metros en agua dulce, mejorando enormemente la eficiencia de radiación de la pequeña antena. La transmisión conjunta de múltiples antenas amplifica la potencia radiada aproximadamente 225 veces en comparación con la de una sola antena. Junto con la matriz receptora correspondiente, la ganancia teórica del enlace puede alcanzar unos 119 decibeles.

El proyecto está dirigido conjuntamente por Adam Khalifa y Md Jahidul Islam, y los resultados de la investigación han sido aceptados por IEEE Transactions on Ocean Engineering. Khalifa, que se dedica desde hace mucho tiempo al diseño de dispositivos implantables microinalámbricos, recordó que un día de repente se dio cuenta de las similitudes entre las propiedades físicas del cuerpo humano y del océano: "Nuestros cuerpos están hechos esencialmente de agua salada ligera, lo que nos hizo empezar a pensar en las comunicaciones oceánicas de una manera completamente diferente".

En la prueba en aguas abiertas, el equipo realizó pruebas de campo en el lago Warburg (agua dulce) en Gainesville, Florida, y en la costa del Golfo de Florida (agua salada) para verificar el rendimiento del sistema en diferentes condiciones del agua. Los experimentos muestran que BlueME puede mantener un enlace estable independientemente de la turbidez del cuerpo de agua o la presencia de obstáculos o reflejos de trayectorias múltiples, lo cual es de importancia práctica para operaciones submarinas en entornos marinos complejos.

En términos de velocidades de datos, BlueME actualmente logra transmisiones de aproximadamente 1 Kb/s a 100 Kb/s, muy por debajo de las velocidades gigabit que los sistemas ópticos pueden alcanzar en condiciones ideales. Sin embargo, el equipo de investigación enfatizó que el objetivo de diseño del sistema desde el principio no era lograr un ancho de banda extremadamente alto, sino lograr un bajo consumo de energía, larga distancia, estabilidad y un enlace bidireccional con menor impacto en el medio ambiente. "Es concebible que el robot le informe el progreso de la tarea cada 10 minutos, y el operador pueda juzgar y ajustar la tarea en tiempo real en base a esto, lo cual es lo suficientemente crítico como para mejorar la flexibilidad de las operaciones submarinas". Dijo el Islam.

El autor del artículo señaló que esta es la primera vez que se implementa una antena magnetoeléctrica a nivel práctico en un entorno al aire libre, y también es uno de los conjuntos de antenas magnetoeléctricas VLF/LF más grandes hasta la fecha. El equipo ha presentado ahora una solicitud de patente provisional y está buscando más financiación para mejorar el hardware y realizar pruebas de viaje adicionales en una plataforma de vehículo submarino autónomo a gran escala. Las aplicaciones futuras esperadas incluyen escenarios clave como navegación colaborativa en formación, mapeo del terreno del fondo marino y posicionamiento en tiempo real.

"Hemos logrado los resultados actuales con recursos iniciales muy limitados". Khalifa enfatizó que si se puede obtener una inversión especial en ingeniería en el futuro y se puede lograr un despliegue a mayor escala, el potencial de esta plataforma superará con creces las capacidades demostradas actualmente. Islam describió la etapa actual como "un período muy temprano de un producto con gran potencial", sugiriendo que BlueME todavía tiene una gran imaginación en el espacio de aplicación de las comunicaciones submarinas e incluso de los robots marinos.