Investigadores del Instituto IMDEA Materiales, en colaboración con las universidades chinas de Nanjing y Huazhong, han desarrollado un nuevo metamaterial acústico capaz de transmitir señales sonoras complejas directamente entre el agua y el aire.

El avance, descrito en el artículo científico “High-dimensional multiplexed metamaterial for cross-media all-sound communication”, presenta un enfoque novedoso que podría mejorar significativamente las tecnologías de comunicación submarina y abrir nuevas aplicaciones que van desde la monitorización oceánica hasta la imagen médica.

El sonido se propaga de forma muy diferente en el agua y en el aire, ya que ambos medios presentan propiedades acústicas muy distintas, como la densidad y la velocidad del sonido.

Esta diferencia hace que la mayoría de las ondas sonoras que alcanzan la frontera entre agua y aire se reflejen en lugar de transmitirse, lo que impide una comunicación acústica eficiente.

Para superar esta limitación, los investigadores diseñaron un metamaterial acústico multiplexado de alta dimensión (HDM por sus siglas en inglés) que actúa como un puente pasivo para las ondas sonoras entre el agua y el aire.

A diferencia de los materiales convencionales, que normalmente solo pueden controlar uno o dos aspectos del sonido, esta nueva estructura puede modular simultáneamente la amplitud, la fase, la frecuencia y el momento angular orbital, cuatro dimensiones clave de las ondas acústicas.

«Hemos demostrado que el metamaterial HDM propuesto es capaz de modular todas las dimensiones de las ondas sonoras que atraviesan el límite agua-aire, incluidas la amplitud, la fase, la frecuencia y el momento angular orbital, de forma pasiva, compacta y eficiente», explica el Prof. Johan Christensen, del Instituto IMDEA Materiales y uno de los autores del estudio.

«Gracias a esta característica de alta dimensionalidad, este metamaterial permite retransmitir y demodular simultáneamente señales multiplexadas espacio-espectrales de un medio a otro, lo que aumenta significativamente la capacidad del canal y la eficiencia espectral».

Este control multidimensional aumenta de forma notable la cantidad de información que puede transmitirse, mejorando tanto la capacidad del canal como la eficiencia espectral.

En los experimentos, el equipo demostró la transmisión en tiempo real de una imagen compleja desde una fuente submarina hacia múltiples receptores en el aire utilizando el metamaterial como un “meta-repetidor” pasivo.

El sistema soportó cuatro canales de comunicación independientes y alcanzó una tasa de error de bits muy baja, muy por debajo de una décima parte del límite de corrección de errores directa, manteniéndose además robusto frente al ruido de fondo y las fluctuaciones en la superficie del agua.

Dado que la técnica utiliza únicamente ondas sonoras y no requiere su conversión en señales de radio, también podría ofrecer mayores niveles de seguridad y fiabilidad.

«Esta técnica basada en metamateriales HDM abre un nuevo paradigma para el control de las ondas sonoras en sistemas complejos que involucran distintos medios», afirma el Prof. Christensen.

«Más allá de las comunicaciones submarinas y las operaciones aire-mar, también tiene implicaciones de gran alcance, desde casos específicos como la imagen por ultrasonidos transcraneales hasta los sistemas de comunicación de próxima generación en el emergente Internet de Todo».

«También me gustaría destacar la excelente colaboración detrás de este trabajo, en particular con el Prof. Bin Liang y su equipo de la Universidad de Nanjing, quienes fueron los primeros en proponer esta investigación», concluyó el Prof. Christensen.