Subacqueo e senza batteria: è il "GPS" del MIT ad onde sonore

La nascita del sistema di geolocalizzazione GPS - acronimo di Global Positioning System - si deve al Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti che all'inizio degli anni '70 ha avviato un progetto inizialmente a scopo militare, per realizzare un modo di rilevare il dislocamento delle forze armate sul campo. Oggi il GPS è usato quotidianamente da tutte le persone attorno al mondo per spostarsi agevolmente in zone non conosciute o per trovare, per esempio, percorsi alternativi in caso di traffico. Il sistema GPS ha però un limite: l'impossibilità di mappare la maggior parte della Terra e cioè quella che si trova al di sotto della superficie dell'acqua. Quest'ultima infatti filtra le onde radio su cui si basa la tecnologia GPS, impedendo un corretto funzionamento.

Onde sonore per la localizzazione sott'acqua: come il sonar, ma senza batterie

Gli scienziati del MIT hanno quindi pensato di trovare modi diversi per creare una sorta di GPS subacqueo che potrebbe essere impiegato per avere una comprensione più accurata di quello che si trova sotto la superficie degli oceani e dei laghi profondi. Il dispositivo realizzato dal MIT si chiama Underwater Backscatter Localization - abbreviato in UBL - e reagisce ai segnali acustici per fornire informazioni sul posizionamento. Tutto questo senza usare alcuna batteria.

Il rilevamento acustico è un principio su cui si basano praticamente tutti i dispositivi oggi esistenti che servono per poter identificare la dislocazione di oggetti e la conformazione di ambienti sott'acqua. Oltre al sonar ampiamente utilizzato nelle operazioni di navigazione civile e militare, esistono già dispositivi subaquei che vengono utilizzati, per esempio, per monitorare gli spostamenti dei grandi mammiferi acquatici o dei pesci ma solitamente sono dei piccoli emettitori di suono, i cui impulsi devono essere registrati da un ricevitore. Questi dispositivi richiedono una batteria per poter operare correttamente, il che implica una manutenzione più o meno periodica che può avere risvolti anche complicati, per esempio quando è necessario recuperare un emettitore attaccato ad una balena in migrazione.

I ricercatori del MIT hanno sviluppato UBL riflettendo segnali acustici, invece di emetterli, basando il dispositivo su materiali piezoelettrici che producono una piccola carica elettrica quando sollecitati da vibrazioni meccaniche. La carica elettrica può essere sfruttata dal dispositivo per riflettere la vibrazione nella direzione da cui proviene. Il sistema ideato dai ricercatori quindi prevede un trasmettitore che invia onde sonore nell'acqua in direzione di un sensore piezoelettrico: quando i segnali acustici colpiscono il dispositivo attivano l'elemento piezoelettrico la cui carica viene usata per riflettere un'onda verso un ricevitore. La distanza tra il ricevitore e il corpo da tracciare viene quindi calcolata sulla base del tempo impiegato dall'impulso sonoro per riflettersi e tornare all'origine.

"Rispetto ai tradizionali sistemi di comunicazione acustica subacqua che richiedono che ogni sensore generi i propri segnali, i nodi di backsetter comunicano semplicemente riflettendo i segnali acustici nell'ambiente. Questi nodi possono anche accendersi raccogliendo energia dai segnali acustici. UBL ci consentirebbe di costruire un GPS subacqueo di lunga durata, scalabile e senza batteria" hanno spiegato i ricercatori.

Precisione al centimetro, ma c'è qualche piccolo ostacolo

Tutto ciò, in linea teorica. Dal punto di vista pratico un primo limite è la relativa poca precisione dei materiali piezoelettrici: tanto per cominciare, è casuale il tempo che impiegano per "svegliarsi" e riflettere un segnale. I ricercatori hanno ovviato a questo ostacolo sfruttando un metodo chiamato frequency hopping, che prevede la trasmissione dei segnali sonori in una gamma di frequenze. Dato che ogni frequenza ha una lunghezza d'onda diversa, le onde sonore riflesse ritornano in fasi diverse. Utilizzando la trasformata di Fourier inversa è possibile ricostruire la distanza dal dispositivo di tracciamento con maggior precisione, sfruttando i modelli di fase e il tempo di trasmissione e ritorno. Tuttavia questo metodo ha mostrato un'affidabilità incostante: i risultati sono promettenti in acque profonde, ma negli specchi o nei corsi d'acqua con poca profondità la tecnica risulta meno efficace. La relativa breve distanza tra superficie e fondale causa un rimbalzo incontrollato dei segnali sonori, i quali possono interferire con altre onde sonore riflesse non permettendo quindi di avere una ricezione affidabile.

I ricercatori hanno pensato come ovviare anche a questo problema, abbassando la velocità con cui i segnali acustici vengono generati dal trasmettitore così che l'eco di ciascuna onda riflessa potesse decadere prima di interferire con l'onda successiva. Ma anche qui c'è un rovescio della medaglia: rallentare l'emissione di impulsi acustici potrebbe non essere la soluzione ideale quando bisogna tracciare UBL in movimento poiché nel momento in cui il segnale riflesso raggiunge il ricevitore, l'oggetto da tracciare potrebbe essere in una posizione diversa rendendo inutile quindi la tecnologia.

Sebbene sia necessario ulteriore lavoro di ricerca per poter risolvere questi problemi, i ricercatori del MIT hanno comunque realizzato un proof-of-concept che ha permesso di mettere a prova la tecnologia e riscontrare una precsione al centimetro anche in acque poco profonde.

Se questa tecnologia riuscisse a raggiungere la fase di sviluppo su larga scala potrebbe essere utilizzata con successo in numerose applicazioni pratiche. Più dell'80% del fondale oceanico è inesplorato, non se ne conoscono le conformazioni e non è attualmente possibile monitorarlo in alcun modo. Una miglior comprensione della vita sottomarina potrebbe aiutare significativamente la ricerca ambientale. Ma i sistemi UBL consentirebbero inoltre di raggiungere un'operatività più accurata di robot e veicoli sottomarini, e fornire informazioni sui possibili impatti sull'oceano dei cambiamenti climatici.