Une équipe de l'Université de Floride a récemment annoncé avoir développé un nouveau système de communication sous-marine appelé BlueME, qui devrait révolutionner la façon dont les robots sous-marins autonomes communiquent entre eux et avec les personnes à la surface. Les chercheurs ont déclaré que cette technologie était issue de leurs années de recherche sur les dispositifs implantables sans fil dans le corps. L'idée est de transférer l'expérience de propagation électromagnétique dans « l'environnement d'eau salée légère » du corps humain vers un milieu similaire comme l'océan.
À l’heure actuelle, les méthodes traditionnelles de communication sous-marine ont leurs propres limites. Les ondes radio sont peu utiles sous l’eau, où les signaux sans fil réguliers sont atténués d’environ 1 à 10 décibels par mètre dans l’eau salée, souvent sur une distance de quelques mètres seulement. Bien que la communication acoustique puisse permettre une transmission sur de plus longues distances, elle sera affectée par des facteurs tels que le décalage de fréquence Doppler et les interférences par trajets multiples, et peut également causer des dommages sonores à la vie marine. Les systèmes optiques ont une bande passante extrêmement élevée dans des conditions idéales, mais nécessitent une ligne de vue directe. Une fois que l'eau est trouble ou que la fenêtre optique est dégradée en raison de l'adhésion biologique, les performances seront considérablement réduites. Dans l’ensemble, la plupart des robots sous-marins ne peuvent désormais soit envoyer que des « paquets de battements de cœur » d’état très courts, soit doivent régulièrement faire surface pour télécharger des données de mission, ce qui limite considérablement leurs capacités d’autonomie en temps réel.
Le système BlueME est conçu pour résoudre ces goulots d'étranglement. Le système utilise une antenne magnétoélectrique (ME) pour permettre aux véhicules sous-marins autonomes (AUV) de communiquer des données jusqu'à 730 mètres tout en consommant seulement environ 10 watts d'énergie, soit moins qu'une ampoule LED domestique. Selon l'équipe de recherche, dans un environnement d'eau douce, BlueME peut maintenir une communication stable à une distance de 200 mètres avec seulement 1 watt de puissance, et dans un environnement d'eau salée, il peut détecter un signal à 730 mètres avec moins de 10 watts, et n'est pas affecté par la turbidité de l'eau, les obstacles ou les interférences multitrajets.
L'innovation principale de ce système consiste à coupler des matériaux magnétostrictifs avec des matériaux céramiques piézoélectriques pour former une antenne magnétoélectrique. Plus précisément, le champ magnétique externe déforme la couche magnétostrictive appelée Metglas, et cette déformation mécanique induit la couche piézoélectrique PZT adjacente à générer une tension ; l'opération inverse peut compléter l'émission du signal. Grâce à cette conception de couplage électromécanique, l'antenne peut fonctionner dans la bande de très basse fréquence d'environ 35 à 36 kHz tout en étant beaucoup plus petite que les antennes électriques traditionnelles de même fréquence.
Le système BlueME complet se compose de 15 de ces antennes dans un réseau 3×5, logées dans un boîtier étanche compensé par l’huile pour équilibrer l’énorme pression hydrostatique trouvée dans les environnements en eaux profondes. Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que les performances de cette antenne magnétoélectrique s'amélioraient après être entrée dans l'eau : à 36 kHz, la longueur d'onde du signal était d'environ 8 327 mètres dans l'air, mais était comprimée à environ 170 mètres dans l'eau douce, améliorant considérablement l'efficacité du rayonnement de la petite antenne. La transmission conjointe de plusieurs antennes amplifie la puissance rayonnée d'environ 225 fois par rapport à celle d'une seule antenne. Couplé au réseau de réception correspondant, le gain théorique de la liaison peut atteindre environ 119 décibels.
Le projet est dirigé conjointement par Adam Khalifa et Md Jahidul Islam, et les résultats de la recherche ont été acceptés par IEEE Transactions on Ocean Engineering. Khalifa, qui travaille depuis longtemps dans la conception de dispositifs implantables micro-sans fil, a rappelé qu'un jour il s'est soudain rendu compte des similitudes entre les propriétés physiques du corps humain et de l'océan : « Nos corps sont essentiellement constitués d'eau salée légère, ce qui nous a fait commencer à penser les communications océaniques d'une manière complètement différente.
Lors du test en eau libre, l'équipe a mené des essais sur le terrain au lac Warburg (eau douce) à Gainesville, en Floride, et sur la côte du golfe de Floride (eau salée) pour vérifier les performances du système dans différentes conditions d'eau. Les expériences montrent que BlueME peut maintenir une liaison stable quelle que soit la turbidité du plan d'eau ou la présence d'obstacles ou de réflexions par trajets multiples, ce qui revêt une importance pratique pour les opérations sous-marines dans des environnements offshore complexes.
En termes de débits de données, BlueME atteint actuellement des transmissions d'environ 1 Kb/s à 100 Kb/s, bien en dessous des vitesses gigabit que les systèmes optiques peuvent atteindre dans des conditions idéales. Cependant, l'équipe de recherche a souligné que l'objectif de conception du système dès le départ n'était pas de rechercher une bande passante extrêmement élevée, mais d'atteindre une faible consommation d'énergie, une longue distance, une stabilité et une liaison bidirectionnelle avec moins d'impact sur l'environnement. "Il est concevable que le robot vous rende compte de la progression de la tâche toutes les 10 minutes, et que l'opérateur puisse juger et ajuster la tâche en temps réel sur cette base, ce qui est suffisamment critique pour améliorer la flexibilité des opérations sous-marines." Islam a dit.
L'auteur de l'article a souligné que c'est la première fois qu'une antenne magnétoélectrique est déployée à un niveau pratique dans un environnement extérieur, et qu'il s'agit également de l'un des plus grands réseaux d'antennes magnétoélectriques VLF/LF à ce jour. L’équipe a maintenant soumis une demande de brevet provisoire et recherche des fonds supplémentaires pour améliorer le matériel et mener des essais de voyage supplémentaires sur une plate-forme de véhicule sous-marin autonome à grande échelle. Les applications futures attendues incluent des scénarios clés tels que la navigation collaborative en formation, la cartographie du terrain des fonds marins et le positionnement en temps réel.
"Nous avons obtenu les résultats actuels avec des ressources initiales très limitées." Khalifa a souligné que si des investissements spéciaux en ingénierie pouvaient être obtenus à l'avenir et qu'un déploiement à plus grande échelle pouvait être réalisé, le potentiel de cette plate-forme dépasserait de loin les capacités actuellement démontrées. Islam a décrit l'étape actuelle comme « une toute première période d'un produit avec un grand potentiel », suggérant que BlueME a encore une énorme imagination dans le domaine des applications des communications sous-marines et même des robots marins.