En batterifri sensor til undervandsudforskning

For at undersøge de vidt uudforskede oceaner, der dækker det meste af vores planet, forskere sigter mod at bygge et neddykket netværk af indbyrdes forbundne sensorer, der sender data til overfladen - et undervands "tingenes internet". Men hvordan leverer man konstant strøm til snesevis af sensorer, der er designet til at forblive i lang tid i havets dyb?

MIT-forskere har et svar:et batterifrit undervandskommunikationssystem, der bruger næsten nul strøm til at transmittere sensordata. Systemet kan bruges til at overvåge havtemperaturer for at studere klimaændringer og spore livet i havet over lange perioder - og endda prøve vand på fjerne planeter. De præsenterer systemet på SIGCOMM-konferencen i denne uge, i et papir, der har vundet konferencens "bedste papir"-pris.

Systemet gør brug af to nøglefænomener. En, kaldet den "piezoelektriske effekt, " opstår, når vibrationer i visse materialer genererer en elektrisk ladning. Den anden er "backscatter, "en kommunikationsteknik, der almindeligvis anvendes til RFID-tags, der transmitterer data ved at reflektere modulerede trådløse signaler fra en tag og tilbage til en læser.

I forskernes system en sender sender akustiske bølger gennem vand mod en piezoelektrisk sensor, der har lagret data. Når bølgen rammer sensoren, materialet vibrerer og lagrer den resulterende elektriske ladning. Så bruger sensoren den lagrede energi til at reflektere en bølge tilbage til en modtager – eller den reflekterer slet ikke en. Skift mellem refleksion på den måde svarer til bits i de transmitterede data:For en reflekteret bølge, modtageren afkoder en 1; for ingen reflekteret bølge, modtageren afkoder et 0.

"Når du har en måde at sende 1'er og 0'er på, du kan sende enhver information, " siger medforfatter Fadel Adib, en assisterende professor i MIT Media Lab og Institut for Elektroteknik og Datalogi og stiftende direktør for Signal Kinetics Research Group. "I bund og grund, vi kan kommunikere med undervandssensorer udelukkende baseret på de indkommende lydsignaler, hvis energi vi høster."

Forskerne demonstrerede deres Piezo-Acoustic Backscatter System i en MIT pool, bruger den til at indsamle vandtemperatur- og trykmålinger. Systemet var i stand til at transmittere 3 kilobyte pr. sekund af nøjagtige data fra to sensorer samtidigt i en afstand på 10 meter mellem sensor og modtager.

Ansøgninger går ud over vores egen planet. Systemet, Adib siger, kunne bruges til at indsamle data i det nyligt opdagede underjordiske hav på Saturns største måne, Titan. I juni, NASA annoncerede Dragonfly-missionen om at sende en rover i 2026 for at udforske månen, prøveudtagning af vandreservoirer og andre steder.

"Hvordan kan du sætte en sensor under vandet på Titan, der holder i lange perioder på et sted, hvor det er svært at få energi?" siger Adib, som skrev papiret sammen med Media Lab-forsker JunSu Jang. "Sensorer, der kommunikerer uden batteri åbner muligheder for sansning i ekstreme miljøer."

Forebyggelse af deformation

Inspiration til systemhittet, mens Adib så "Blue Planet, " en naturdokumentarserie, der udforsker forskellige aspekter af livet i havet. Havene dækker omkring 72 procent af Jordens overflade. "Det gik op for mig, hvor lidt vi ved om havet, og hvordan havdyr udvikler sig og formerer sig, " siger han. Internet-of-things (IoT)-enheder kunne hjælpe med denne forskning, "men under vandet kan du ikke bruge Wi-Fi eller Bluetooth-signaler ... og du vil ikke lægge batterier over hele havet, fordi det rejser problemer med forurening."

Det førte Adib til piezoelektriske materialer, som har eksisteret og brugt i mikrofoner og andre enheder i omkring 150 år. De producerer en lille spænding som reaktion på vibrationer. Men den effekt er også reversibel:Påføring af spænding får materialet til at deformeres. Hvis den placeres under vandet, den effekt frembringer en trykbølge, der rejser gennem vandet. De bruges ofte til at opdage sunkne kar, fisk, og andre undervandsgenstande.

"Denne reversibilitet er det, der giver os mulighed for at udvikle en meget kraftfuld undervands-backscatter-kommunikationsteknologi, " siger Adib.

Kommunikation er afhængig af at forhindre, at den piezoelektriske resonator naturligt deformeres som reaktion på belastning. I hjertet af systemet er en neddykket knude, et printkort, der rummer en piezoelektrisk resonator, en energihøstende enhed, og en mikrocontroller. Enhver type sensor kan integreres i noden ved at programmere mikrocontrolleren. En akustisk projektor (sender) og en undervandslytteenhed, kaldet en hydrofon (modtager), er placeret et stykke væk.

Sig, at sensoren vil sende en 0 bit. Når senderen sender sin akustiske bølge mod noden, den piezoelektriske resonator absorberer bølgen og deformeres naturligt, og energihøsteren gemmer lidt ladning fra de resulterende vibrationer. Modtageren ser derefter intet reflekteret signal og afkoder et 0.

Imidlertid, når sensoren vil sende en 1 bit, naturen ændrer sig. Når senderen sender en bølge, mikrocontrolleren bruger den lagrede ladning til at sende en lille spænding til den piezoelektriske resonator. Den spænding omorienterer materialets struktur på en måde, der forhindrer den i at deformere, og reflekterer i stedet bølgen. Opfatter en reflekteret bølge, modtageren afkoder en 1.

Langsigtet dybhavsføling

Sender og modtager skal have strøm, men kan plantes på skibe eller bøjer, hvor batterier er nemmere at udskifte, eller tilsluttet stikkontakter på land. Én sender og én modtager kan indsamle information fra mange sensorer, der dækker et eller flere områder.

"Når du sporer et havdyr, for eksempel, du vil spore det over en lang rækkevidde og vil beholde sensoren på dem i en længere periode. Du ønsker ikke at bekymre dig om, at batteriet løber tør, " siger Adib. "Eller, hvis du vil spore temperaturgradienter i havet, du kan få information fra sensorer, der dækker en række forskellige steder."

En anden interessant applikation er overvågning af saltlagepuljer, store områder med saltlage, der sidder i bassiner i havbassiner, og er svære at overvåge på lang sigt. De findes, for eksempel, på den antarktiske hylde, hvor salt sætter sig under dannelsen af ​​havis, og kunne hjælpe med at studere smeltende is og havlivets samspil med pools. "Vi kunne mærke, hvad der sker dernede, uden at skulle blive ved med at trække sensorer op, når deres batterier dør, " siger Adib.

Næste, forskerne sigter mod at demonstrere, at systemet kan arbejde på længere afstande og kommunikere med flere sensorer samtidigt. De håber også at teste, om systemet kan transmittere lyd og billeder i lav opløsning.