MITの研究者らは、Underwater Backscatter Localization（UBL）と名付けた電池不要の位置特定システムを開発した。
UBLは周囲の環境から変調信号を反射させ、ネットゼロのエネルギーで研究者に位置情報を提供する。
海洋保全活動家、気候科学者、そして米海軍にとって、重要なツールになる可能性がある。
この新しいアプローチは、海洋保全から養殖までの応用が見込まれ、電池不要の海洋探査の時代を切り開く可能性がある。
GPSは防水ではない。このナビゲーションシステムは電波に依存しているが、電波は海水を含む液体中では急速に減衰する。ドローンやクジラなどの海中の物体を追跡するため、研究者は音響信号に頼っている。しかし、音を発生させて送信する装置は通常、電池を必要とする。かさばり、寿命が短く、定期的な交換が必要な電池だ。電池なしで済ませることはできないだろうか。
MITの研究者らは、その可能性があると考えている。彼らは、Underwater Backscatter Localization（UBL）と名付けた電池不要の位置特定システムを開発した。UBLは自ら音響信号を発するのではなく、周囲の環境から変調信号を反射させる。これにより、ネットゼロのエネルギーで研究者に位置情報が提供される。この技術はまだ開発段階にあるが、いずれは海洋保全活動家、気候科学者、そして米海軍にとって重要なツールになる可能性がある。
これらの成果は、今週開催される米国計算機協会（ACM）のHot Topics in Networksワークショップで発表される論文に記載されている。この論文は、メディアラボのSignal Kineticsグループのメンバーによるものである。研究科学者のReza Ghaffarivardavaghが論文の筆頭著者を務め、共著者はSayed Saad Afzal、Osvy Rodriguez、そしてFadel Adibである。Adibはグループを率いており、ドハティ海洋利用講座担当教授であるとともに、MITメディアラボおよびMIT電気工学・コンピュータサイエンス学部の准教授も務めている。
「電力消費が大きい」
現代生活においてGPSの影響から逃れることはほぼ不可能である。衛星から送信される電波信号に依存するこの技術は、海運、ナビゲーション、ターゲティング広告などに利用されている。1970年代から80年代にかけて導入されて以来、GPSは世界を変えてきた。しかし、海は変わっていない。GPSから身を隠したいなら、最適な場所は水中だろう。
電波は水中を移動する際に急速に劣化するため、海中の通信は代わりに音響信号に頼ることが多い。音波は空気中よりも水中の方が速く、遠くまで伝わるため、データ送信の効率的な手段となる。しかし、欠点もある。
「音は電力を大量に消費する」とAdibは述べる。音響信号を発生させる追跡装置では、「電池が非常に速く消耗することがある」。そのため、長期間にわたって対象物や動物を正確に追跡することは難しい。回遊中のクジラに取り付けられている場合、電池の交換は容易な作業ではない。そこで研究チームは、音を利用する電池不要の方法を模索した。
良い振動
Adibのグループは、以前から低消費電力の音響信号に利用してきた独自の資源に着目した。以前から利用してきた、すなわち圧電材料である。これらの材料は、振動する音波を受けるなどの機械的応力に応じて、自ら電荷を発生させる。圧電センサーは、その電荷を利用して、一部の音波を選択的に周囲へ反射させることができる。受信機は、この反射の連続を後方散乱（バックスキャッター）と呼ばれるものとして解読し、反射された音波を1、反射されなかった音波を0とするパターンに変換する。得られた二進コードには、海水温や塩分濃度に関する情報を含めることができる。
原理的には、同じ技術で位置情報を提供することも可能である。観測ユニットが音波を発し、その音波が圧電センサーで反射して観測ユニットに戻るまでの時間を計測できる。経過時間を用いれば、観測者と圧電センサーとの距離を算出できる。しかし実際には、海はエコーが反響する空間であるため、このような後方散乱のタイミングを計ることは複雑である。
音波は観測ユニットとセンサーの間を直接伝わるだけではない。海面と海底の間を跳ね返りながら進み、異なるタイミングで観測ユニットに戻ってくる。「これらの反射がすべて発生し始める」とAdibは述べる。「そのため、位置を計算するのが複雑になる」。浅い海では、海底と海面の距離が短いため、混乱を招く反射信号がより強くなり、反射の影響を考慮することはさらに大きな課題となる。
研究者らは「周波数ホッピング」によって反射の問題を克服した。単一の周波数で音響信号を送る代わりに、観測ユニットは複数の周波数範囲にわたって信号の系列を送る。周波数ごとに波長が異なるため、反射した音波は異なる位相で観測ユニットに戻る。タイミングと位相の情報を組み合わせることで、観測者は追跡装置までの距離を特定できる。周波数ホッピングは研究者の深海シミュレーションでは成功したが、浅海の反響ノイズを突破するためには追加の安全策が必要であった。
海面と海底の間で反響が多発する場所では、研究者らは情報の流れを遅くする必要があった。ビットレートを下げ、観測ユニットが送信する各信号の間隔を実質的に長くした。これにより、各ビットのエコーが次のビットに干渉する前に減衰することが可能になった。深海のシミュレーションでは毎秒2,000ビットで十分であったが、浅海では追跡装置からの明瞭な信号反射を得るために、毎秒100ビットまで下げる必要があった。しかし、低いビットレートだけでは問題はすべて解決しなかった。
移動する物体を追跡するには、研究者らは実際にビットレートを上げる必要があった。毎秒1,000ビットでは、深海を毎秒30センチメートルで移動するシミュレーション上の物体の位置を特定するには遅すぎた。「物体の位置を特定できるだけの情報を得る頃には、既にその位置から移動している」とAfzalは説明する。毎秒10,000ビットという高速にすると、深海で物体を追跡することができた。
効率的な探査
Adibのチームは、UBL技術の改良に取り組んでいる。その一環として、浅海で求められる低ビットレートと、動きを追跡するために必要な高ビットレートとの対立といった課題の解決を進めている。チャールズ川での試験を通じて、細部の問題を解消しようとしている。「実験のほとんどは昨冬に行った」とRodriguezは述べる。川に氷が張った日もあった。「あまり快適ではなかった」。
条件はさておき、これらの試験によって、困難な浅海環境における概念実証が実現した。UBLは、送信機と後方散乱ノードとの間の距離を、最大でほぼ0.5メートルまでのさまざまな距離で推定した。チームは現場でUBLの範囲を拡大することに取り組んでおり、ケープコッドにあるWoods Hole海洋研究所の共同研究者とともに、このシステムの試験を行うことを望んでいる。
チームは、UBLが海洋探査の盛り上がりを後押しできることを期待している。Ghaffarivardavaghは、科学者が海底よりも月面の地図の方が精密であると指摘する。「なぜ無人の水中ビークルを派遣して海洋を探査できないのか。答えは、失われてしまうからだ」と彼は述べる。
UBLは、将来的に自律型ビークルが電池という貴重なエネルギーを消費せずに水中で位置を把握し続けることに役立つ可能性がある。この技術は、海中ロボットがより正確に作業することにも役立ち、海洋における気候変動の影響に関する情報を提供する可能性もある。「応用の可能性は非常に多い」とAdibは述べる。「海洋を大規模に理解したいと考えている。長期的なビジョンだが、それこそが我々の目指すところであり、我々が期待を寄せているものだ」。
本研究は、一部、米国海軍研究局の支援を受けた。
