El GPS no es a prueba de agua. Este sistema de navegación depende de las ondas de radio, que pierden coherencia rápidamente en líquidos, incluyendo el agua de mar. Para rastrear objetos submarinos como drones o ballenas, los investigadores dependen de la señalización acústica. Pero los dispositivos que generan y envían sonido generalmente requieren baterías: baterías voluminosas y de corta duración que necesitan ser cambiadas regularmente. ¿Podríamos prescindir de ellas?

Unos investigadores del MIT creen que sí. Han construido un sistema de localización sin baterías llamado Underwater Backscatter Localization (UBL). En lugar de emitir sus propias señales acústicas, el sistema UBL refleja señales moduladas de su entorno. Eso proporciona a los investigadores información de posicionamiento, a energía neta cero. Aunque la tecnología aún está en desarrollo, el UBL podría algún día convertirse en una herramienta clave para los conservacionistas marinos, los científicos del clima y la Marina militar.

Estos avances se describen en un documento dirigido por el científico investigador Reza Ghaffarivardavagh, junto con los coautores Sayed Saad Afzal, Osvy Rodríguez y Fadel Adib.

Es casi imposible escapar del GPS en la vida moderna. Esta tecnología, que se basa en señales de radio transmitidas por satélite, se utiliza en el transporte marítimo, la navegación, la publicidad dirigida, y más. Desde su introducción en los años 70 y 80, el GPS ha cambiado el mundo. Pero no ha cambiado el océano. Si tuvieras que esconderte del GPS, tu mejor apuesta sería bajo el agua.

Debido a que las ondas de radio se deterioran rápidamente al moverse por el agua, las comunicaciones submarinas a menudo dependen de señales acústicas. Las ondas sonoras viajan más rápido y más lejos bajo el agua que a través del aire, lo que las convierte en una forma eficiente de enviar datos. Pero hay un inconveniente.

“El sonido tiene hambre de energía”, dice Adib. Para los dispositivos de rastreo que producen señales acústicas, “sus baterías pueden agotarse muy rápidamente”. Eso hace que sea difícil rastrear con precisión objetos o animales durante un largo período de tiempo; cambiar una batería no es una tarea sencilla cuando está conectada a una ballena migratoria. Así que el equipo buscó una forma de usar el sonido sin baterías.

Prototipo de sistema UBL. (Foto: MIT)

El grupo de Adib recurrió a un recurso único que habían utilizado anteriormente para la señalización acústica de baja potencia: los materiales piezoeléctricos. Estos materiales generan su propia carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica, como al ser golpeados por ondas sonoras vibratorias. Los sensores piezoeléctricos pueden usar esa carga para reflejar selectivamente algunas ondas sonoras en su entorno. Un receptor traduce esa secuencia de reflexiones, llamada retrodispersión, en un patrón de 1s (para las ondas sonoras reflejadas) y 0s (para las ondas sonoras no reflejadas). El código binario resultante puede llevar información sobre la temperatura o la salinidad del océano.

En principio, la misma tecnología podría proporcionar información de localización. Una unidad de observación podría emitir una onda sonora, y luego registrar el tiempo que tarda esa onda sonora en reflejarse en el sensor piezoeléctrico y volver a la unidad de observación. El tiempo transcurrido podría utilizarse para calcular la distancia entre el observador y el sensor piezoeléctrico. Pero en la práctica, cronometrar esa retrodispersión es complicado, porque el océano puede ser una cámara de eco.

Las ondas sonoras no solo viajan directamente entre la unidad de observación y el sensor. También se desplazan entre la superficie y el fondo marino, volviendo a la unidad en diferentes momentos. “Empiezas a encontrarte con todos estos reflejos”, dice Adib. “Eso hace que sea complicado calcular la ubicación”. Contar los reflejos es un desafío aún mayor en aguas poco profundas… la corta distancia entre el fondo marino y la superficie significa que las confusas señales de rebote son más fuertes.

Los investigadores superaron el problema de la reflexión con el llamado “salto de frecuencia“. En lugar de enviar señales acústicas a una sola frecuencia, la unidad de observación envía una secuencia de señales a través de un rango de frecuencias. Cada frecuencia tiene una longitud de onda diferente, por lo que las ondas de sonido reflejadas regresan a la unidad de observación en diferentes fases. Combinando la información sobre el tiempo y la fase, el observador puede determinar con precisión la distancia al dispositivo de seguimiento. El salto de frecuencias tuvo éxito en las simulaciones de aguas profundas de los investigadores, pero necesitaban una salvaguarda adicional para cortar el ruido reverberante de las aguas poco profundas.

En los lugares donde los ecos corren desenfrenados entre la superficie y el fondo marino, los investigadores tuvieron que reducir el flujo de información. Redujeron la tasa de bits, esencialmente esperando más tiempo entre cada señal enviada por la unidad de observación. Eso permitió que los ecos de cada bit se apagaran antes de interferir potencialmente con el siguiente bit. Mientras que una velocidad de 2.000 bits/segundo era suficiente en las simulaciones de aguas profundas, los investigadores tuvieron que reducirla a 100 bits/segundo en aguas poco profundas para obtener un claro reflejo de la señal del rastreador. Pero una tasa de bits lenta no lo resolvió todo.

Para rastrear objetos en movimiento, los investigadores tuvieron que aumentar la tasa de bits. Mil bits/segundo era demasiado lento para localizar un objeto simulado que se moviera en aguas profundas a 30 centímetros/segundo. “Para cuando se obtiene suficiente información para localizar el objeto, ya se ha movido de su posición”, explica Afzal. A una velocidad de 10.000 bits/segundo, fueron capaces de rastrear el objeto a través del agua profunda.

El equipo de Adib está trabajando para mejorar la tecnología UBL, en parte resolviendo desafíos como el conflicto entre la baja tasa de bits requerida en aguas poco profundas y la alta tasa de bits necesaria para rastrear el movimiento. Están resolviendo los problemas a través de pruebas en el río Charles. “Hicimos la mayoría de los experimentos el invierno pasado”, dice Rodríguez. Eso incluyó algunos días con hielo en el río. “No fue muy agradable”.

Aparte de las condiciones, las pruebas proporcionaron una prueba de concepto en un entorno desafiante de aguas poco profundas. La UBL estimó la distancia entre un transmisor y el nodo de retrodispersión a varias distancias de hasta casi medio metro. El equipo está trabajando para aumentar el alcance de UBL en el campo, y esperan probar el sistema con sus colaboradores en la Institución Oceanográfica Wood Hole en Cape Cod.

Esperan que el sistema UBL pueda ayudar a impulsar un auge de la exploración oceánica. Ghaffarivardavagh señala que los científicos tienen mejores mapas de la superficie de la luna que del fondo del océano. “¿Por qué no podemos enviar vehículos submarinos no tripulados en una misión para explorar el océano? La respuesta es: los perderemos”, dice.

UBL podría un día ayudar a los vehículos autónomos a permanecer bajo el agua, sin gastar la preciosa energía de la batería. La tecnología también podría ayudar a los robots submarinos a trabajar con mayor precisión, y proporcionar información sobre los impactos del cambio climático en el océano. “Hay tantas aplicaciones”, dice Adib. “Esperamos entender el océano a escala. Es una visión a largo plazo, pero eso es lo que estamos trabajando y lo que nos entusiasma”.