Tulevaisuuden ledilamppu sekä valaisee että siirtää tietoa

Elämme urbaaneissa elinympäristöissä, joissa valaistus on läsnä ympäri vuorokauden. Valaisemme kotimme, toimistomme, sairaalamme ja tuotantolaitoksemme, jotta arkemme rullaa. Mitä jos kaikkea tätä näkyvää valoa voisi hyödyntää tilojen valaisemisen lisäksi myös informaation siirtämiseen ja laitteiden virranlähteenä? Näitä valon tarjoamia mahdollisuuksia tutkitaan Oulun yliopistossa osana 6G-tutkimuksen professorin Marcos Katzin johtamaa SUPERIOT-hanketta.

Valo tarjoaa ominaisuuksia, joita radioon perustuvalla tiedonsiirrolla ei ole. Valo on nopea ja tietoturvallinen keino siirtää tietoa, eikä se häiritse radiosignaaleilla toimivia laitteita. Yksi hyödyllisistä ominaisuuksista liittyy energiatehokkuuteen, kun valaistukseen jo käytetty energia hyödynnetään myös viestien välittämiseen.

“Näkyvällä valolla tapahtuvan viestimisen, eli valoviestinnän, kehittämisen taustalla on kestävä kehitys. Tutkimme, miten jo olemassa olevaa infrastruktuuria, valaistusta, voisi käyttää uusilla tavoilla”, Marcos Katz kertoo.

Värähtelevä ledi morsettaa viestin

Nykyiset mobiiliverkot perustuvat radioteknologiaan. Valoviestinnässä (VLC, visible light communication) tieto siirtyy radioaaltojen sijaan näkyvän valon avulla.

Kotioloissa tiedon siirto valolla voisi tarkoittaa sitä, että langattoman Wi-Fi-verkon sijaan meillä on käytössä Li-Fi, langaton valodata. Tiedonsiirtoon tarvitaan ledivalaisin, esimerkiksi työpöytää valaiseva lamppu. Valaisin toimii Wi-Fi-reitittimen tapaan välittäen siirrettävän informaation vastaanottavaan laitteeseen.

Professori Katz havainnollistaa tiedon siirtämistä vertaamalla sitä morsetukseen.

“Ledilamppu säädetään värähtelemään ja vastaanotin tulkitsee tätä värähtelyä. Kun valo on päällä, vastaanotin lukee viestiksi ykkösen ja valon ollessa pois päältä nollan.”

Tietokoneessa tai älypuhelimessa on vastaanotin, joka tulkitsee vastaanotetun koodin. Valon räpsyminen on niin nopeaa, että ihmissilmä ei sitä havaitse. Etätyöläisen näkymässä työvalo pysyy tasaisena ja päivän ohjelmassa oleva webinaari alkaa pyöriä läppärin näytöllä.

Valon avulla voi siirtää viestejä myös toiseen suuntaan. Tähän hyödynnetään näkymätöntä valoa, kuten infrapunavaloa. Esimerkiksi sähköposti työkaverille voisi kulkea eteenpäin sen avulla.

“Olisi häiritsevää, jos puhelimesta tai tietokoneesta loistaisi näkyvä valkoinen valo. Näkymätön infrapunavalo välittää viestin huomaamatta”, Katz kertoo.

Valo välittää viestit herkissä ympäristöissä

Katzin tiimi kaavailee valoviestinnälle käyttökohteita ympäristöihin, joissa on käytössä radiosignaaleille herkkiä laitteita. Tällaisia ympäristöjä ovat sairaalat, tehtaat tai vaikkapa lentokoneet. Sairaaloissa matkapuhelinten käyttö on tietyillä alueilla kiellettyä, sillä niiden radiosignaalit voivat häiritä herkkiä laitteita. Samasta syystä lentokoneessa puhelin tulee asettaa lentotilaan.

“Valon kanssa samanlaista ongelmaa ei ole. Tutkimuksemme tavoitteena on, että tulevaisuudessa laitteet voisivat joustavasti vaihtaa valon ja radion välillä ympäristön vaatimusten mukaan”, Katz kertoo.

Yksi valon eduista verrattuna nykyiseen tiedonsiirtoon on sen tietoturvallisuus. Vastaanottaakseen valon avulla siirrettävää dataa, on käyttäjän oltava fyysisesti samassa tilassa valonlähteen kanssa.

“Jos tietoa siirtävä valonlähde on suljetussa huoneessa, ei sen ulkopuolelta pääse valoa pitkin liikkuvaan sisältöön käsiksi”, Katz sanoo.

Valo ei Katzin mukaan tule korvaamaan radioaaltoihin perustuvaa teknologiaa vaan täydentää sitä. Valolla on monia etuja, mutta myös omat puutteensa. Tiedonsiirtoon tarvittavaa valaistusta ei ole joka paikassa. Esimerkiksi metsäretkellä katuvaloja ei ole, joten somepäivitykset puolukkametsästä vaativat jatkossakin radioaaltoja.

Valo vaatii myös esteettömän kulun vastaanottimeen toimiakseen tehokkaasti.

“Jos esimerkiksi ihmisen sormi peittää valon vastaanottimen älypuhelimessa, tiedonkulku heikkenee tai katkeaa kokonaan. Tällöin täytyy siirtyä käyttämään radioaaltoja.”

Valosta energian nappaava laite säästää luonnonvaroja

Valolla on tiedonsiirron lisäksi tutkijoiden suunnitelmissa toinenkin uusi käyttötarkoitus, joka liittyy SUPERIOT-hankkeen pyrkimykseen kohti kestävämpää esineiden internetiä eli IoT:tä (Internet of Things). Tulevaisuuden älykkäissä kaupungeissa on käytössä yhä enemmän laitteita, jotka keräävät itsenäisesti tietoa ympäristöstä ja välittävät sitä eteenpäin.

Katzin tutkimusryhmä kehittää näistä sensoreista ympäristöystävällisempiä. Tässäkin apuun tulee valo.  Päämääränä on, että laitteet ottavat toimintaansa tarvittavan energian akkujen tai paristojen sijaan tilaa valaisevista ledilampuista aurinkokennon avulla.

“Tällä säästetään valtava määrä kertakäyttöisiä paristoja. Ympäristöä havainnoiva IoT-laite kuluttaa niin vähän energiaa, että sen virransaanti onnistuu tilojen valaistusta hyödyntäen.”

Kestävyyttä tavoitellaan myös hyödyntämällä painettua elektroniikkaa.

Nykyinen esimerkiksi matkapuhelinten sisältämä teknologia sisältää osia, jotka kuluttavat paljon luonnonvaroja ja harvinaisia metalleja. Katz tutkimusryhmineen selvittää, miten IoT-laitteen tarvitsemia osia voisi tuottaa vähemmän materiaalia vaativalla tulostustekniikalla.

“Visiossamme koko IoT-laite on painettu. Lopputuloksena on pankkikorttia pienempi tulostettu tarra, jonka voi kiinnittää helposti hoitamaan omaa tehtäväänsä esineiden internetissä.”

Tällainen tarramainen laite voisi esimerkiksi mitata toimiston seinässä sisäilman kosteutta tai lämpötilaa ja lähettää tiedon eteenpäin ohjaamaan ilmanvaihtoa. Arkisessa esimerkissä kaupan hyllyllä olevassa maitopurkissa voisi olla printattu tarra, joka näyttää muuttuvia hintatietoja ja kotona ostajan jääkaapissa kehottaa palauttamaan takaisin vedettävän tuotteen kauppaan.

Tulostettuja IoT-laitteita on hankkeessa kehitetty myös sairaalaympäristöihin. Niiden avulla voidaan reaaliaikaisesti seurata sairaalan laitteiden ja henkilökunnan sijaintia tai potilaiden vointia.

“Potilaaseen kiinnitetty sensori voi hälyttää paikalle hoitajan, jos potilas on kaatunut tai hänen lämpötilansa on noussut vaarallisen korkealle.”

Tulostettavissa IoT-laitteissa kiteytyvät Katzin mukaan valon hyödylliset ominaisuudet.

 “Laitteet voisivat hyödyntää tiedon siirrossa sekä radiota että valoa, jolloin niiden käyttäminen olisi turvallista myös radioaalloille herkissä tiloissa. Lisäksi ne keräisivät käyttöenergiansa tilojen valaistuksesta.”

Oulun yliopiston 6G Flagship -tutkimuskokonaisuuteen kuuluva SUPERIOT-projekti valittiin juuri EU:n kymmenen kiinnostavimman 6G-innovaation joukkoon.