不靠聲波不靠光 水下"WiFi"來了
在渾濁的海水中，水下機器人如何能夠與同伴更好地“聊微信”？
受人體植入通信設備啟發，近期，美國佛羅裡達大學團隊開發了壹種新型水下機器人通信系統。這個名為 BlueME 的系統創新性地采用 3×5 磁電（ME，magnetoelectric）天線陣列，在僅 10 瓦功耗的條件下（與普通 LED 燈泡相當），可實現水下機器人之間數據傳輸最遠 730 米。
值得關注的是，BlueME 不受水體渾濁度和障礙物的幹擾，基於該系統的水下機器人有可能只依靠自帶電池，就能與數百米外的同伴實現實時數據交換。
這項技術有望改變水下機器人“下水即失聯”的難題，成為機器人實時自主作業，以及海洋環境探測、海上基礎設施檢查、水下救援和軍事偵察通信的新方案。
相關論文發表在 IEEE Journal of Oceanic Engineering，論文題目為“BlueME: Robust Underwater Robot-to-Robot Communication Using Compact Magnetoelectric Antennas”。
長期以來，水下通信壹直面臨著嚴峻的挑戰：傳統射頻電磁波在導電介質中受衰減影響明顯，隨著水下通信距離的遞增，射頻電磁波每米可能衰減 1 到 10 分貝，有效通信距離可能只有幾米；聲學通信可長距離傳播，但多徑幹擾和多普勒效應嚴重，其高強度聲波還有可能對海洋生物造成傷害；而光學通信系統盡管具有帶寬高、延遲低的優勢，但在渾濁環境下也會顯得“束手無策”且視距受限。
傳統方法通常需要大型天線或高功率，而 BlueME 則通過自帶的固有諧振頻率，實現在水下高效發射和接收甚低頻/低頻（VLF/LF）電磁信號，該系統具有高效率、緊湊型的特性。
該系統可以在保持高通信性能的前提下，實現相對較低的功耗。在淡水湖與墨西哥灣的自然環境測試結果顯示，BlueME 在淡水環境下實現了 200 米通信距離，功耗只需 1 瓦；在海水環境下，通信距離能達到 730 米，最大功耗在 10 瓦以內。
團隊成員在海洋機器人、無線系統和磁電裝置設計方面的跨學科技術積累，為這項研究提供了強大的技術支撐。佛羅裡達大學電氣與計算機工程系助理教授 Md Jahidul Islam 和 Adam Khalifa 博士主導了這項研究，Islam 長期致力於水下機器人的研究，而 Khalifa 的研究方向則聚焦於微創無線醫療微型設備的探索，這種設備可通過注射的方式植入到人體。
“我花了多年時間研究微型無線植入設備，並研究高導電環境下的高效電力傳輸，”Khalifa 對媒體表示，“後來我突然意識到，我們的身體實際上是由微鹹的水構成的，因此人體內與水下通信面臨的物理挑戰有許多相似之處。這壹認識讓我以壹種全新的視角來思考水下通信。”
水下多機器人協同作戰之所以充滿挑戰，是因為該條件下無論是通信帶寬還是范圍都非常有限。傳統的水下通信方案中，水下機器人要想實現任務數據傳輸，通常通過交換稀疏的狀態信號或在壹定時間內浮出水面。但是，這兩種方式都會極大限制實時自主性和水下機器人的協同作戰能力。
BlueME 的優勢恰好解決了這壹關鍵挑戰。在海洋實驗中，該系統采用緊湊、節能的架構，通信范圍最遠可實現 730 米以上。並且，它可以每 10 分鍾進行實時任務進展反饋，更有利於操作員及時做出決策以及對相關任務進行調整。
該技術的另壹優勢是制備成本低。據研究團隊預計，15 單元陣列的硬件成本整體在數拾美元左右，與商用聲學調制解調器的數千美元相比，具有低價優勢且有利於未來的大規模制備。
也需要看到的是，這項研究還存在壹定局限性。現階段，BlueME 的數據速率的理論估算范圍在千比特每秒到上百千比特每秒之間，盡管優於傳統聲學低速鏈路，但仍顯著低於光學通信的兆比特級別。此外，磁電天線在高驅動幅度下可能會產生較為明顯的非線性效應。
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受人體植入通信設備啟發，近期，美國佛羅裡達大學團隊開發了壹種新型水下機器人通信系統。這個名為 BlueME 的系統創新性地采用 3×5 磁電（ME，magnetoelectric）天線陣列，在僅 10 瓦功耗的條件下（與普通 LED 燈泡相當），可實現水下機器人之間數據傳輸最遠 730 米。
值得關注的是，BlueME 不受水體渾濁度和障礙物的幹擾，基於該系統的水下機器人有可能只依靠自帶電池，就能與數百米外的同伴實現實時數據交換。
這項技術有望改變水下機器人“下水即失聯”的難題，成為機器人實時自主作業，以及海洋環境探測、海上基礎設施檢查、水下救援和軍事偵察通信的新方案。
相關論文發表在 IEEE Journal of Oceanic Engineering，論文題目為“BlueME: Robust Underwater Robot-to-Robot Communication Using Compact Magnetoelectric Antennas”。
長期以來，水下通信壹直面臨著嚴峻的挑戰：傳統射頻電磁波在導電介質中受衰減影響明顯，隨著水下通信距離的遞增，射頻電磁波每米可能衰減 1 到 10 分貝，有效通信距離可能只有幾米；聲學通信可長距離傳播，但多徑幹擾和多普勒效應嚴重，其高強度聲波還有可能對海洋生物造成傷害；而光學通信系統盡管具有帶寬高、延遲低的優勢，但在渾濁環境下也會顯得“束手無策”且視距受限。
傳統方法通常需要大型天線或高功率，而 BlueME 則通過自帶的固有諧振頻率，實現在水下高效發射和接收甚低頻/低頻（VLF/LF）電磁信號，該系統具有高效率、緊湊型的特性。
該系統可以在保持高通信性能的前提下，實現相對較低的功耗。在淡水湖與墨西哥灣的自然環境測試結果顯示，BlueME 在淡水環境下實現了 200 米通信距離，功耗只需 1 瓦；在海水環境下，通信距離能達到 730 米，最大功耗在 10 瓦以內。
團隊成員在海洋機器人、無線系統和磁電裝置設計方面的跨學科技術積累，為這項研究提供了強大的技術支撐。佛羅裡達大學電氣與計算機工程系助理教授 Md Jahidul Islam 和 Adam Khalifa 博士主導了這項研究，Islam 長期致力於水下機器人的研究，而 Khalifa 的研究方向則聚焦於微創無線醫療微型設備的探索，這種設備可通過注射的方式植入到人體。
“我花了多年時間研究微型無線植入設備，並研究高導電環境下的高效電力傳輸，”Khalifa 對媒體表示，“後來我突然意識到，我們的身體實際上是由微鹹的水構成的，因此人體內與水下通信面臨的物理挑戰有許多相似之處。這壹認識讓我以壹種全新的視角來思考水下通信。”
水下多機器人協同作戰之所以充滿挑戰，是因為該條件下無論是通信帶寬還是范圍都非常有限。傳統的水下通信方案中，水下機器人要想實現任務數據傳輸，通常通過交換稀疏的狀態信號或在壹定時間內浮出水面。但是，這兩種方式都會極大限制實時自主性和水下機器人的協同作戰能力。
BlueME 的優勢恰好解決了這壹關鍵挑戰。在海洋實驗中，該系統采用緊湊、節能的架構，通信范圍最遠可實現 730 米以上。並且，它可以每 10 分鍾進行實時任務進展反饋，更有利於操作員及時做出決策以及對相關任務進行調整。
該技術的另壹優勢是制備成本低。據研究團隊預計，15 單元陣列的硬件成本整體在數拾美元左右，與商用聲學調制解調器的數千美元相比，具有低價優勢且有利於未來的大規模制備。
也需要看到的是，這項研究還存在壹定局限性。現階段，BlueME 的數據速率的理論估算范圍在千比特每秒到上百千比特每秒之間，盡管優於傳統聲學低速鏈路，但仍顯著低於光學通信的兆比特級別。此外，磁電天線在高驅動幅度下可能會產生較為明顯的非線性效應。
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