用于水下探测的无电池传感器

为了调查覆盖地球大部分地区的尚未被探索的海洋，研究人员打算建立一个由相互连接的传感器组成的水下网络，将数据发送到地面——一个水下的“物联网”。“但是，如何为数十个设计用于在海洋深处长期停留的传感器提供恒定的电力呢?”

麻省理工学院的研究人员给出了一个答案:一个使用近零功率传输传感器数据的无电池水下通信系统。该系统可用于监测海洋温度，研究气候变化，长期跟踪海洋生物，甚至可以对遥远星球上的水域进行采样。他们在本周的SIGCOMM会议上展示了这个系统，这篇论文获得了会议的“最佳论文”奖。

该系统利用了两个关键现象。其中一种被称为“压电效应”，当某些材料的振动产生电荷时就会产生这种效应。另一种是“反向散射”(backscatter)，这是一种通常用于RFID标签的通信技术，通过将调制后的无线信号从标签反射回阅读器来传输数据。

在研究人员的系统中，一个发射器通过水向一个存储数据的压电传感器发送声波。当波击中传感器时，材料振动并储存产生的电荷。然后传感器利用储存的能量将波反射回接收器——或者根本不反射。以这种方式在反射之间交替对应于传输数据中的位:对于反射波，接收器解码a1;对于没有反射波的情况，接收机解码为0。

“一旦你有了传输1和0的方法，你就可以发送任何信息，”合著者Fadel Adib说，他是麻省理工学院媒体实验室和电子工程与计算机科学系的助理教授，也是信号动力学研究小组的创始人。“基本上，我们可以仅根据接收到的声音信号与水下传感器通信，而我们正在收集这些信号的能量。”

研究人员在麻省理工学院的一个水池中演示了他们的压电声学后向散射系统，用它来收集水温和压力测量数据。该系统能够在传感器和接收器之间10米的距离上同时从两个传感器传输3千字节每秒的精确数据。

应用程序超越了我们的星球。阿迪布说，这个系统可以用来收集最近在土星最大的卫星泰坦上发现的地下海洋的数据。今年6月，美国国家航空航天局(NASA)宣布，“蜻蜓”号将于2026年发射一艘探测车，探测月球、抽取水库和其他地点的样本。

“你怎么能把一个传感器放在泰坦的水下，在一个难以获取能量的地方持续很长时间?”Adib说，他与媒体实验室研究员JunSu Jang共同撰写了这篇论文。“无需电池就能通讯的传感器为极端环境下的传感提供了可能。”

防止变形

阿迪布在观看自然纪录片《蓝色星球》(Blue Planet)时，受到了这个系统的启发。《蓝色星球》探索了海洋生物的各个方面。海洋覆盖了地球表面的72%。他说:“我突然想到，我们对海洋以及海洋动物如何进化和繁殖知之甚少。”物联网(IoT)设备可以帮助这项研究，“但在水下你不能使用Wi-Fi或蓝牙信号……你也不想把电池扔到海里，因为这会引发污染问题。”

这使得Adib产生了压电材料，这种材料已经在麦克风和其他设备中使用了大约150年。它们对振动产生很小的电压响应。但这种影响也是可逆的:施加电压会导致材料变形。如果把它放在水下，就会产生压力波，在水中传播。它们经常被用来探测沉船、鱼和其他水下物体。

“这种可逆性使我们能够开发一种非常强大的水下反向散射通信技术，”阿迪布说。

通信依赖于防止压电谐振器在应变响应下自然变形。该系统的核心是一个浸入式节点、一块电路板、一个压电谐振器、一个能量收集单元和一个微控制器。任何类型的传感器都可以通过编程的微控制器集成到节点中。一个声学投影仪(发射机)和水下监听设备，称为水听器(接收器)，被放置在一定距离之外。

假设传感器想发送0位。当发射机在节点处发送声波时，压电谐振器吸收声波并自然变形，能量收集器从产生的振动中储存少量电荷。然后接收器看不到反射信号，并解码为0。

然而，当传感器想发送1位时，性质就发生了变化。当发射机发送一个波时，微控制器利用存储的电荷向压电谐振器发送一个小电压。这种电压改变了材料的结构，使其不再变形，而是反射波。接收器感应到反射波，就对a1进行解码。

长期深海传感

发射机和接收机必须有电源，但可以安装在船舶或浮标上，因为那里的电池更容易更换，或连接到陆地上的插座。一个发射器和一个接收器可以从覆盖一个或多个区域的多个传感器收集信息。

“例如，当你在追踪海洋动物时，你想要追踪它很长一段距离，并想要让传感器长时间保持在它们身上。你不需要担心电池没电了，”阿迪布说。“或者，如果你想跟踪海洋的温度梯度，你可以从覆盖许多不同地方的传感器上获得信息。”

另一个有趣的应用是监测卤水池，这是位于海洋盆地池中的大面积卤水，很难长期监测。例如，它们存在于南极大陆架上，在海冰形成的过程中盐就在那里沉淀下来，这可能有助于研究融化的冰和海洋生物与水池之间的相互作用。阿迪布说:“我们可以感觉到那里正在发生什么，而不需要在传感器的电池耗尽时一直把它们拖上来。”

台湾国立大学电气工程教授黄波莉(Polly Huang)称赞了这项工作的技术新颖性和对环境科学的潜在影响。“这是一个很酷的想法，”黄说。“人们使用压电晶体来获取能量已经不是什么新闻了……(但)这是第一次看到它同时被用作无线电，这在传感器网络/系统研究领域是闻所未闻的。”同样有趣和独特的是硬件设计和制造。电路和封装的设计都很好，也很有趣。”

黄指出，该系统还需要更多的实验，特别是在海水中，他补充说，“这可能是海洋传记、海洋学甚至气象学研究人员的最终解决方案——那些需要长期、低人力的水下传感的研究人员。”

接下来，研究人员的目标是证明该系统可以在更远的距离工作，同时与更多的传感器通信。他们还希望测试该系统能否传输声音和低分辨率图像。

这项工作在一定程度上是由美国政府资助的。美国海军研究办公室。