MIT開發(fā)用于監(jiān)測海洋溫度和可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的水下壓電傳感器

MIT研究人員開發(fā)了一種浸沒傳感系統(tǒng)，利用“壓電”材料的振動(dòng)產(chǎn)生電能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

為了研究覆蓋地球大部分面積但還未開發(fā)的海洋，研究人員希望打造一種水下“物聯(lián)網(wǎng)”，即建立一個(gè)水下互聯(lián)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將傳感器捕獲的數(shù)據(jù)發(fā)送到水面。不過，如何為大量浸沒水底的傳感器持續(xù)供能，使它們在海洋深處長時(shí)間工作呢？

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員找到了一個(gè)答案：一種無需電池、零功耗傳輸傳感器數(shù)據(jù)的水下通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于監(jiān)測海洋溫度，研究氣候變化，長期跟蹤海洋生物，甚至可以在遙遠(yuǎn)的外星球水體中采集數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)利用了兩種關(guān)鍵技術(shù)。一種被稱為“壓電效應(yīng)”，在某些材料中振動(dòng)可以產(chǎn)生電荷。另一種是“反向散射”，一種常用的RFID標(biāo)簽通信技術(shù)，它通過將調(diào)制的無線信號從RFID標(biāo)簽反射回讀取器來傳輸數(shù)據(jù)。

在MIT研究人員設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，發(fā)射器在水中將聲波發(fā)送到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的壓電傳感器。當(dāng)聲波傳遞到傳感器時(shí)，壓電材料振動(dòng)產(chǎn)生電荷，并存儲(chǔ)在壓電傳感器中。然后，傳感器利用存儲(chǔ)的能量將波反射回接收器（也可以不發(fā)出反射波）。對應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)中的比特信號，以上述方式進(jìn)行交替反射：對于反射波，接收器解碼為1；而沒有反射波，接收器解碼為0。

MIT研究人員發(fā)明的無電池水下“壓電”傳感器

“一旦找到發(fā)送1和0信號的方法，我們就可以發(fā)送任何信息。基本上，我們可以僅依靠傳入聲音信號的能量，與水下傳感器進(jìn)行通信?！痹撗芯空撐墓餐髡逨adel Adib說。Adib是MIT媒體實(shí)驗(yàn)室、電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系助理教授，以及信號動(dòng)力學(xué)研究組創(chuàng)始主任。

研究人員在MIT實(shí)驗(yàn)池中演示了他們設(shè)計(jì)的壓電聲學(xué)反向散射系統(tǒng)，用它來收集水溫?cái)?shù)據(jù)和壓力測量。該系統(tǒng)能夠在相距10米的傳感器和接收器之間，以每秒3千字節(jié)的速率同時(shí)傳輸來自兩個(gè)傳感器的的精確數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)不僅可以在地球上應(yīng)用，Adib表示，該系統(tǒng)還可用于收集土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六（Titan）上最近發(fā)現(xiàn)的海洋的數(shù)據(jù)。今年6月，美國宇航局宣布了“Dragonfly”太空任務(wù)，計(jì)劃于2026年發(fā)送一輛漫游者探測土衛(wèi)六，采集其海洋和其他地點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

“我們?nèi)绾螌鞲衅靼卜旁谕列l(wèi)六的水體下，在這樣難以獲取能量的地方持續(xù)地長期工作？”Adib說，“我們開發(fā)的這種無需電池通信的傳感器，為極端環(huán)境中的傳感應(yīng)用提供了可能。”

當(dāng)Adib在家觀看“藍(lán)色星球”（一部探索海洋生物的著名紀(jì)錄片）時(shí)，受到了啟發(fā)。海洋覆蓋了地球表面約72%的面積。“我突然意識(shí)到我們對海洋的認(rèn)識(shí)如此渺小，我們還不清楚很多海洋動(dòng)物是如何進(jìn)化和繁殖的，”他說。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備可以幫助這項(xiàng)研究，“但在海平面下，我們無法使用Wi-Fi或藍(lán)牙信號……而且，我們不能把電池投入海洋，因?yàn)檫@會(huì)引起污染問題。”

這使Adib想到了壓電材料，這種材料已經(jīng)存在約150年，已在麥克風(fēng)和其他傳感器中應(yīng)用。它們能夠響應(yīng)振動(dòng)產(chǎn)生微小的電壓。并且，這種特性也是可逆的，對壓電材料施加電壓可以導(dǎo)致材料形變。如果將壓電材料置于水下，利用該效應(yīng)可以產(chǎn)生在水中傳播的壓力波。這通常可用于探測沉沒的船只、魚類和其他水下物體。

“這種可逆的壓電特性使我們能夠開發(fā)出非常強(qiáng)大的水下反向散射通信技術(shù)?！盇dib說。

該系統(tǒng)的核心包括一個(gè)浸沒水下的節(jié)點(diǎn)，一個(gè)容納壓電諧振器的電路板，一個(gè)能量收集單元和一個(gè)微控制器。通過編程微控制器，可以將任何類型的傳感器集成到節(jié)點(diǎn)中。水聲發(fā)生器（發(fā)射器）和水下聽音裝置（水聽器，即接收器）放置在一定距離之外。

如果傳感器想要發(fā)送一個(gè)“0”信號。當(dāng)發(fā)射器在節(jié)點(diǎn)處發(fā)送聲波時(shí)，壓電諧振器吸收波并發(fā)生形變振動(dòng)，能量采集器存儲(chǔ)振動(dòng)所產(chǎn)生的電荷。接收器沒有接收到反射信號，解碼為“0”信號。

當(dāng)傳感器想要發(fā)送“1”信號時(shí)，情況就發(fā)生了變化。當(dāng)發(fā)射器發(fā)送聲波時(shí)，微控制器利用存儲(chǔ)的電荷向壓電諧振器施加一定的電壓。該電壓重新定向材料的結(jié)構(gòu)阻止材料形變，轉(zhuǎn)而反射波。接收器感應(yīng)到反射波，解碼為“1”信號。

長期深海傳感

發(fā)射器和接收器必須供電，但它們可以安置在船上或浮標(biāo)上，這些地方更容易更換電池，或者直接連接供電插座。一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器可以覆蓋一個(gè)或許多區(qū)域，采集很多傳感器收集的信息。

“例如，當(dāng)我們跟蹤一只海洋動(dòng)物時(shí)，需要長時(shí)間大范圍地跟蹤，希望將傳感器一直保持在它們的身上，而無需考慮電池耗盡的問題?！盇dib說，“或者，我們需要跟蹤海洋中的溫度梯度，可以從覆蓋很多位置的傳感器捕捉數(shù)據(jù)。”

另一個(gè)有趣的應(yīng)用是監(jiān)測海底的鹵水池，鹵水池中的海水鹽度比周圍海水要高，難以長期監(jiān)測。例如，在南極陸架上由于海冰形成期間的鹽沉降形成的鹵水池。研究它們可以幫助研究冰融化以及海洋生物與鹵水池的相互作用?！拔覀兛梢蚤L期持續(xù)地感知那里正在發(fā)生的狀況，而不需要經(jīng)常把傳感器拉上來更換電池，”Adib說。

***國立大學(xué)電子工程系教授Polly Huang對這項(xiàng)技術(shù)的新穎性和對環(huán)境科學(xué)的潛在影響表示贊賞?！斑@個(gè)創(chuàng)新很酷，”Huang說，“使用壓電晶體來獲取能量并不新鮮。但這是第一次看到壓電晶體在采集能量的同時(shí)被用作無線電，這在傳感網(wǎng)以及傳感系統(tǒng)研究領(lǐng)域前所未有。此外，其硬件設(shè)計(jì)和制造也很獨(dú)特，電路和封裝設(shè)計(jì)既合理又有趣?！?/p>

盡管該系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，尤其是在海水中，Huang補(bǔ)充說：“這可能是海洋傳記、海洋學(xué)甚至氣象學(xué)研究人員急需的終極解決方案，這些應(yīng)用都需要長期、低干預(yù)的水下傳感?！?/p>

接下來，研究人員將驗(yàn)證該系統(tǒng)在更遠(yuǎn)的距離工作，同時(shí)與更多傳感器通信。他們還希望測試該系統(tǒng)是否能傳輸聲音和低分辨率圖像。