Þróun áreiðanlegri neðansjávarfjarskipta
„Með núverandi tækni eru neðansjávarfjarskipti erfið og geta verið óskilvirk. Fjarskiptamerki dofna, bitahraði er lágur og fjarskiptin krefjast mikillar orku. Þess vegna reynist erfitt að stunda yfirgripsmikla umhverfivöktun í úthafinu, orkuvinnslu og starfrækslu þróaðra neðansjávarróbóta,“ segir Farzad Alizadeh, doktorsnemi í rafmagns- og tölvuverkfræði við Háskóla Íslands. Hann hlaut á dögunum viðurkenningu fyrir bestu vísindagreinina á 19. Alþjóðlegu ráðstefnunni um neðansjávarnet og -kerfi sem fram fór í Kína, en markmið hans og samstarfsfélaga er að gera fjarskipti í hafi áreiðanlegri og orkunýtnari.
Farzad er einn þriggja doktorsnema sem taka þátt í alþjóðlega og þverfaglega rannsóknarverkefninu „HAF: Underwater Robotics Sensor Networks with Multi-Mode Devices and Remote Power Charging Capabilities“ sem hlaut öndvegisstyrk úr Rannsóknasjóði Rannís árið 2023. Markmið verkefnisins er að þróa fjarskiptatækni fyrir krefjandi og óblítt umhverfi, eins og finna má neðansjávar í Norður-Atlantshafinu og á stöðum sem erfitt er að ná til.
Fellur vel að áherslum Íslands á málefni hafsins
Farzad bendir á að verkefni hans falli vel að áherslum Íslands á málefni hafsins og vistkerfi sjávar, endurnýjanlega orku, sjávarútveg og nýsköpun í hátækni. „Aðferðirnar og tæknin sem ég er að þróa í doktorsverkefni mínu geta nýst beint inni í haftækni á Íslandi og geta stutt við snjallari vöktun á auðlindum hafsins, stuðlað að auknu öryggi á hafi úti og nýrri tækni sem hefur mikið gildi fyrir atvinnulíf og rannsakendur hér á landi.“
Farzad segir að þessar áherslur Íslands rími afar vel við áhuga hans sjálfs. „Ég var afar spenntur að fá að vinna með prófessorunum Kristni Andersen og Ian F. Akyildiz og Sæmundi E. Þorsteinssyni lektor og teyminu sem stendur á bak við HAF-verkefnið við Háskóla Íslands, auk annarra samstarfsaðila,“ segir Farzad. „Það var mjög auðveld ákvörðun að vinna doktorsverkefni mitt hér á landi því leiðbeinendurnir eru öflugir, verkefnið metnaðarfullt og tækifærið til að dvelja á Íslandi er einstakt.“
Reyna að „stjórna farveginum neðansjávar“
Þegar Farzad er inntur eftir því hvað hafi vakið áhuga hans á þessu viðfangsefni segist hann alltaf hafa verið hugfanginn af því hvernig manninum tekst að miðla og skynja hluti á stöðum sem erfitt er að komast til eða eru jafnvel „ósýnilegir“ okkur, eins og hafdjúpin. „Rafsegulbylgjur deyfast mjög í vatni og þess vegna þurfum við að treysta á aðrar aðferðir, eins og hljóðbylgjur, til að miðla upplýsingum. Hins vegar er það ekki einfalt. Eðlisfræði hljóðbylgna í vatni er margbrotin, sem krefst flókinna en um leið spennandi aðferða til að stýra þeim,“ segir hann.
Farzad segir að vinna hans felist því ekki einfaldlega í því að bæta senda og móttakara fyrir fjarskiptin heldur að „stjórna farvegi sendinganna neðansjávar“ eins og hann orðar það. „Í raun þýðir það að nýta snjallar og stýranlegar einingar sem kallast sníðanleg greind yfirborð (e. Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS) og þróaða merkjaúrvinnslu til að stjórna því hvernig bylgjur ferðast milli tækja neðansjávar. Með því að hafa áhrif á þær leiðir sem merki berast eftir er hægt að magna nýtileg merki, draga úr áhrifum hinna krefjandi aðstæðna neðansjávar og senda boð lengri vegalengdir með minni orku og meiri bandbreidd en áður,“ segir Farzad um doktorsverkefni sitt.
Hann vísar til fjarskipta neðansjávar sem byggi á svonefndum „tonpilz“ umbreytum, sem breytt geta rafmerkjum í hljóðmerki og öfugt neðansjávar, eins og við þekkjum úr umhverfi okkar í hljóðnemum og hátölurum. Heitið „tonpilz“ er reyndar fengið úr þýsku og mætti þýða sem „hljóðsveppur“, en það lýsir lögun þessara neðansjávareininga. Ýmsir ókostir fylgi þó þessum búnaði þar sem hann er umfangsmikill, dýr og óhentugur fyrir litla og meðalstóra sjálfstýrða róbóta neðansjávar (e. Autonomous Underwater Vehicles, AUV). „Við ákváðum því að taka þetta skrefinu lengra og spyrja okkur: Hvernig getum við komist yfir þessa þröskulda í fjarskiptum neðansjávar? Þá datt okkur í hug að skoða sníðanleg yfirborð, þ.e. stýrifleti (e. metasurfaces), sem geta mótað hljóðbylgjur á mjög sveigjanlega hátt og eru fyrirferðarlitlir, skalanlegir og orkunýtnir.“
Í doktorsverkefni sínu sameinar Farzad fræðilega vinnu, tölvuhermanir og tilraunir. „Lokamarkmiðið er að komast af stigi fræðilegra útreikninga og tölvuhermana yfir í þróun frumgerða til tilrauna í vatnstönkum og að lokum prófa þær við raunverulegar aðstæður í hafi.“
„Þetta mun auðvelda okkur að nýta langlíf skynjaranet til að fylgjast með breytingum í hafinu, við fiskveiðar, í vistkerfi hafsins og að styðja við eftirlit og vöktun á neðansjávarleiðslum og strengjum á hafsbotni,“ segir Farzad. MYND/Kristinn Ingvarsson
Kynna til sögunnar “snjallvegg“ sem mótar hljóðbylgjur neðansjávar
Eins og áður kom fram hlaut Farzad verðlaun fyrir bestu vísindagreinina á 19. Alþjóðlegu ráðstefnunni um neðansjávarnet og -kerfi (WUWNet), sem er ein helsta ráðstefnan á þessu sviði í heiminum. Í greininni er kynntur til sögunnar „snjallveggur “ — sníðanlegur, virkur stýriveggur (e. metasurface) sem getur stýrt og endurmótað hljóðbylgjur neðansjávar. „Hann aðlagar sig að umhverfinu, magnar bylgjurnar á þeim leiðum sem þær fara eftir, dregur úr endurvarpi og lengir vegalengdir sem hægt er að hafa fjarskipti yfir með mun minni orku en með öðrum aðferðum, “ segir Farzad.
Þessi nýja hönnun getur gjörbylt hönnun róbóta, skynjaraneta og vöktun umhverfisins neðansjávar samkvæmt Farzad. „Það var í senn mjög mikilvægt og mikil hvatning að fá verðlaunin fyrir bestu vísindagreinina frá því vísindasamfélagi sem fæst við neðansjávarfjarskipti, “ segir hann um verðlaunin.
Ný tækni til að vakta sjávarvistkerfi, neðansjávarleiðslur og óblíð náttúruöfl
Farzad segir að með rannsóknum hans og samstarfsfélaga verði til ný tól sem nýtast muni við þróun snjallari fjarskiptaneta neðansjávar, s.s. áreiðanleg líkön fyrir fjarskiptarásir, hermunarbúnaður og hönnunarleiðbeiningar sem aðrir vísindamenn og verkfræðingar geta nýtt sér við hönnun og gerð snjallyfirborða neðansjávar. „Ef allt gengur að óskum ætti þessi vinna að skila sér í tækni til að bæta myndatökur og myndskeið frá neðansjávarróbótum, nettengingar og skynjara sem starfrækja má til lengri tíma og að stýra neðansjávarróbótum sem vinna saman sem samhæfður floti.“
HAF-verkefnið ryður því ekki aðeins nýjar brautir á sviði rannsókna í fjarskiptum og hljóðeðlisfræði neðansjávar heldur ryður líka brautina fyrir áreiðanlegri og orkunýtnari neðansjávarfjarskipti. Slíkt getur skilað sér með ýmsum hætti í samfélagi okkar og umhverfi. „Þetta mun auðvelda okkur að nýta langlíf skynjaranet til að fylgjast með breytingum í hafinu, við fiskveiðar, í vistkerfi hafsins og styðja við eftirlit og vöktun á neðansjávarleiðslum og strengjum á hafsbotni. Verkefnið stuðlar einnig að þróun öflugri neðansjávarróbóta og skynjarakerfa sem styðja sjófarendur, björgunaraðila og þá sem þurfa að glíma við óblíðar aðstæður í umhverfinu,“ segir Farzad að lokum.
