在渾濁的海水中，水下機械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，美國佛羅里達大學團隊開發了一種新型水下機械人通信系統。這個名為 BlueME的系統創新性地採用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），可實現水下機械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干擾，基於該系統的水下機械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械人「下水即失聯」的難題，成為機械人實時自主作業，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，水下通信一直面臨着嚴峻的挑戰：傳統射頻電磁波在導電介質中受衰減影響明顯，隨着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，但多徑干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；而光學通信系統儘管具有帶寬高、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。
團隊成員在海洋機械人、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。佛羅里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長期致力於水下機械人的研究，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。這一認識讓我以一種全新的視角來思考水下通信。」
水下多機械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範圍都非常有限。傳統的水下通信方案中，水下機械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一定時間內浮出水面。但是，這兩種方式都會極大限制實時自主性和水下機械人的協同作戰能力。
BlueME的優勢恰好解決了這一關鍵挑戰。在海洋實驗中，該系統採用緊湊、節能的架構，通信範圍最遠可實現730米以上。並且，它可以每10分鐘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。
該技術的另一優勢是製備成本低。據研究團隊預計，15單元陣列的硬件成本整體在數十美元左右，與商用聲學調製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製備。
也需要看到的是，這項研究還存在一定局限性。現階段，BlueME的數據速率的理論估算範圍在千比特每秒到上百千比特每秒之間，儘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。
現階段，研究團隊已在真實湖泊和開放海域中完成了多輪測試，通信距離在數十米到730米範圍內，這是已知文獻中，小型磁電天線陣列首次走出實驗室水箱，在自然海水環境下完成了水下機械人間的通信驗證。與此同時，也是迄今規模最大的甚低頻/低頻磁電陣列系統。
目前該技術仍處於早期階段，研究團隊已提交相關專利申請，希望通過技術方面完善，逐步拓展自主水下機械人的測試範圍。從更長遠的發展來看，隨着技術的深入探索和未來更大規模的部署，該系統在性能方面有望進一步提升，並有望建立水下機械人通信在複雜海洋環境中協作和運行的新範式。
