Vì sao Hải quân Mỹ lắng nghe tiếng cá mú khổng lồ và càng tôm?

Mỹ đang thử nghiệm công nghệ sử dụng tiếng ồn tự nhiên để xác định vị trí các mối đe dọa dưới đáy biển nhằm thay thế cho sonar quân sự.

Những bộ xương cá voi nằm xung quanh bờ biển Fuerteventura thuộc quần đảo Canary là lời nhắc nhở rõ ràng về tác hại của sonar quân sự. Hệ thống sonar từ tàu thuyền được cho là một trong những yếu tố khiến cá voi mất phương hướng và tự mắc cạn, theo BBC.

Công nghệ không thân thiện với sinh vật biển này có thể sớm được thay thế. Lori Adornato, chuyên gia phụ trách dự án tại cơ quan nghiên cứu quân sự DARPA, cho rằng có thể sử dụng âm thanh tự nhiên để phát hiện vật thể dưới biển thay vì xung sonar.

“Hiện tại, chúng ta coi tất cả âm thanh tự nhiên này là tiếng ồn nhiễu và cố gắng loại bỏ. Nhưng tại sao chúng ta không tận dụng những âm thanh này để phát hiện các nguy cơ tiềm ẩn”, bà Adornato nói.

Hình minh hoạ hệ thống phát hiện vật thể bằng sinh vật biển. Ảnh: DARPA.

Ưu điểm vượt trội

Dự án Cảm biến cố định giám sát đời sống sinh vật biển (PALS) do bà Adornato dẫn đầu được phát triển nhằm tận dụng tối đa hoạt động tự nhiên của sinh vật trong môi trường nước nhằm phát hiện các mối đe dọa.

Các phao sonar được thả từ máy bay chỉ hoạt động trong vài giờ trên một khu vực nhỏ. Ngược lại, hệ thống PALS có thể hoạt động bao phủ một khu vực rộng lớn trong vòng nhiều tháng. Do đó, PALS có khả năng cung cấp dữ liệu gần như liên tục.

Bà Adornato cho rằng các loài sinh vật chỉ sống ở một rạn san hô nhất định là những “người lính gác” tốt nhất. PALS đang tài trợ cho một số nhóm nghiên cứu nhằm tìm ra các cách tiếp cận đối với những rạn san hô khác nhau.

“Bạn muốn đảm bảo rằng những loài sinh vật của bạn sẽ luôn ở đó”, bà Adornato nói.

Laurent Cherubin, nhà nghiên cứu chính của nhóm Grouper Guard tại đại học Florida Atlantic, làm việc với những con cá mú khổng lồ Đại Tây Dương. Loài cá này có thể nặng tới 300 kg và tạo ra những tiếng lớn để ngăn chặn kẻ xâm nhập.

Cá mú khổng lồ Đại Tây Dương thu hút nhiều thợ lặn tới vùng biển Florida. Ảnh: Science.

“Tiếng của chúng rất lớn và có tần số thấp. Cá mú khổng lồ có tập tính lãnh thổ và sẽ phát ra những tiếng kêu lớn nhằm đe dọa kẻ xâm nhập”, Cherubin nói.

Một con cá mú đang phát ra tiếng có thể được phát hiện từ khoảng cách 800 m. Tuy nhiên, không phải tất cả tiếng kêu của cá mú đều có mục đích đe dọa. Loài cá này còn sử dụng tiếng kêu nhằm thu hút bạn tình và một số mục đích bí ẩn khác.

Nhóm nghiên cứu của Cherubin tập trung vào các tiếng kêu cảnh cáo hướng tới kẻ xâm nhập. Phân biệt tiếng kêu này không hề dễ dàng, vì vậy nhóm đã thiết lập các thuật toán học máy phục vụ công việc này. Hệ thống máy học được đào tạo bằng cách nghe hàng nghìn bản ghi âm cho đến khi phân biệt được các loại tiếng kêu khác nhau.

Thuật toán sau đó có thể được phát triển thành phần mềm tích hợp vào các bộ xử lý nhỏ trên các đầu thu âm thanh. Một đầu thu có thể bao phủ một rạn san hô, ghi lại tiếng kêu của cá mú và theo dõi vật thể di chuyển.

Sonar sinh học từ loài tôm

Công việc của nhóm PALS tại tập đoàn quốc phòng Raytheon gần gũi hơn với sonar chống tàu ngầm truyền thống. Tuy nhiên, nghiên cứu tại đây có một điểm đặc biệt.

“Chúng tôi đang cố gắng phát hiện tiếng vang do vật thể phản xạ lại tiếng ồn càng tôm tạo ra. Nó hoạt động tương tự một hệ thống sonar truyền thống”, Alison Laferriere, nhà nghiên cứu tại Raytheon, nói.

Nói cách khác, hệ thống của Raytheon hoạt động giống như các sonar bình thường. Nhưng thay vì sử dụng sóng âm nhân tạo, hệ thống này sử dụng tiếng ồn do tôm tạo ra.

Tôm gõ mõ được gọi là loài ồn ào nhất đại dương. Chiếc càng lớn của loài tôm này có thể kẹp nhanh đến mức tạo ra một bong bóng chân không và âm thanh cường độ lớn để làm choáng con mồi. Tôm cũng sử dụng càng để giao tiếp với nhau.

“Âm thanh được tạo ra bởi một con tôm gõ mõ có thời lượng rất ngắn và có thể lan ra xa. Một tiếng kẹp càng yên tĩnh hơn rất nhiều so với một nguồn sonar truyền thống, nhưng có thể hàng nghìn tiếng kẹp xảy ra mỗi phút”, Laferriere nói.

Một loài tôm thuộc họ tôm gõ mõ. Ảnh: Arthur Anker/Flickr.

Âm thanh của tôm gõ mõ có thể thay đổi theo thời gian trong ngày và nhiệt độ nước. Tuy nhiên, một đàn tôm gõ mõ không bao giờ yên tĩnh. Một trong những thách thức lớn nhất mà nhóm của Laferriere phải đối mặt là xử lý lượng tiếng ồn khổng lồ do chính tôm tạo ra và sự phản xạ của những âm thanh đó ra khu vực xung quanh.

Phân tích những phản xạ này đặc biệt khó khăn. Không giống như sonar truyền thống, vị trí nguồn âm thanh của tôm là không rõ ràng. Một lần nữa, giải pháp được sử dụng là công nghệ hiện đại.

Nhóm của Laferriere đã phát triển các thuật toán để phân tích âm thanh và chọn ra một tiếng kẹp càng duy nhất. Thuật toán sẽ tính toán vị trí của tôm, sau đó phân tích con đường phản xạ của âm thanh và tìm ra nơi được phản xạ.

Nhóm nghiên cứu đã phải tạo ra các mô hình máy tính nhằm xác định loại âm thanh nào được phản xạ lại từ những vật thể cố định và những vật thể đang di chuyển. Nếu thành công, các thiết bị thu âm thông minh sẽ được lắp đặt trên tàu và khả năng xác định vị trí của bất kỳ mục tiêu nào trong khu vực.

Các nhóm PALS khác cũng có cách tiếp cận tương tự. Các nhà nghiên cứu của Northrop Grumman đang nghiên cứu một hệ thống sonar khác dựa trên tôm. Một nhóm nghiên cứu của Hải quân Mỹ đang xem xét âm thanh từ các rạn san hô.

Dự án hứa hẹn đem lại một mạng lưới cảm biến có khả năng bao phủ các khu vực rộng lớn trong thời gian dài với hầu hết phần cứng được cung cấp bởi thiên nhiên. Chỉ các thiết bị thu âm cần thay thế hoặc sửa chữa.

Khả năng hiện thực hóa

“Cách tiếp cận của DARPA sẽ là một bước đột phá lớn nếu thành công”, Sidharth Kaushal, một chuyên gia tại viện nghiên cứu quốc phòng RUSI của Anh, nhận định. Tuy nhiên, ông nghi ngờ khả năng thành công của DARPA vì những dự án tương tự trước đây đều không thành công.

Tàu ngầm U-boat của Đức từng bị phát hiện do ảnh hưởng đến sinh vật phù du phát quang. Nhưng những nỗ lực sau đó nhằm tận dụng hiệu ứng này ở quy mô lớn hơn đạt được rất ít thành tựu.

“Những nỗ lực của cả Liên Xô và Mỹ trong Chiến tranh Lạnh đều đã không đi đến đâu. Một phần vì họ không có cách nào để phân biệt ‘dương tính giả’, chẳng hạn như một con cá voi đi qua, với một chiếc tàu ngầm”, ông Sidharth nói.

Ngược lại, bà Adornato tin rằng sự kết hợp của sinh vật biển và các thuật toán thông minh có thể cung cấp một giải pháp đáng tin cậy.

“Những hệ thống quan sát này có tác động rất thấp. Chúng có thể được triển khai đến nhiều môi trường khác nhau mà không phá vỡ hệ sinh thái”, bà Adornato nói.

PALS đã hoàn thành giai đoạn thử nghiệm ban đầu. Giai đoạn thứ hai của dự án sẽ chứng minh khả năng hoạt động giải pháp trong các thử nghiệm có kiểm soát. Bà Adornato hy vọng PALS sẽ được thử nghiệm thực địa vào năm 2023 và chuyển giao cho Hải quân Mỹ.

Sử dụng âm thanh được tạo ra bởi sinh vật biển và tìm hiểu cách chúng thay đổi sẽ cung cấp cho các nhà nghiên cứu một phương pháp chi phí thấp, thân thiện với môi trường để theo dõi hoạt động của con người dưới nước. Các công nghệ của PALS cũng có thể được ứng dụng cho nghiên cứu khoa học.