För att undersöka de enormt outforskade haven som täcker större delen av vår planet, forskare siktar på att bygga ett nedsänkt nätverk av sammankopplade sensorer som skickar data till ytan - ett undervattens "internet av saker". Men hur levererar man konstant ström till mängder av sensorer som är utformade för att stanna under långa perioder i havets djup?

MIT-forskare har ett svar:ett batterifritt undervattenskommunikationssystem som använder nästan noll ström för att överföra sensordata. Systemet kan användas för att övervaka havstemperaturer för att studera klimatförändringar och spåra marint liv under långa perioder – och till och med ta prov på vatten på avlägsna planeter. De presenterar systemet på SIGCOMM-konferensen denna vecka, i ett papper som har vunnit konferensens pris för "bästa papper".

Systemet använder sig av två nyckelfenomen. Ett, kallas "den piezoelektriska effekten, "uppstår när vibrationer i vissa material genererar en elektrisk laddning. Den andra är" backscatter, "en kommunikationsteknik som vanligtvis används för RFID-taggar, som överför data genom att reflektera modulerade trådlösa signaler från en tagg och tillbaka till en läsare.

I forskarnas system, en sändare skickar akustiska vågor genom vatten mot en piezoelektrisk sensor som har lagrat data. När vågen träffar sensorn, materialet vibrerar och lagrar den resulterande elektriska laddningen. Sen använder sensorn den lagrade energin för att reflektera en våg tillbaka till en mottagare – eller så reflekterar den inte en alls. Att växla mellan reflektion på det sättet motsvarar bitarna i de överförda data:För en reflekterad våg, mottagaren avkodar en 1; för ingen reflekterad våg, mottagaren avkodar en 0.

"När du har ett sätt att sända 1:or och 0:or, du kan skicka all information, " säger medförfattaren Fadel Adib, en biträdande professor i MIT Media Lab och Institutionen för elektroteknik och datavetenskap och grundare av Signal Kinetics Research Group. "I grund och botten, vi kan kommunicera med undervattenssensorer baserade enbart på de inkommande ljudsignaler vars energi vi skördar. "

Forskarna demonstrerade sitt Piezo-Acoustic Backscatter System i en MIT-pool, använder den för att samla in vattentemperatur och tryckmätningar. Systemet kunde sända 3 kilobyte per sekund exakt data från två sensorer samtidigt på ett avstånd av 10 meter mellan sensor och mottagare.

Applikationer går bortom vår egen planet. Systemet, Adib säger, kan användas för att samla in data i det nyligen upptäckta underjordiska havet på Saturnus största måne, Titan. I juni, NASA tillkännagav Dragonfly-uppdraget att skicka en rover 2026 för att utforska månen, provtagning av vattenreservoarer och andra platser.

"Hur kan du sätta en sensor under vattnet på Titan som varar under långa perioder på en plats som är svår att få energi?" säger Adib, som skrev uppsatsen tillsammans med Media Lab-forskaren JunSu Jang. "Sensorer som kommunicerar utan batteri öppnar möjligheter för avkänning i extrema miljöer."

Förhindrar deformation

Inspiration till systemhittet medan Adib såg på "Blue Planet, " en naturdokumentärserie som utforskar olika aspekter av havets liv. Hav täcker cirka 72 procent av jordens yta. "Det slog mig hur lite vi vet om havet och hur marina djur utvecklas och fortplantar sig, " säger han. Internet-of-things (IoT)-enheter kan hjälpa forskningen, "men under vattnet kan du inte använda Wi-Fi eller Bluetooth-signaler ... och du vill inte sätta batterier över hela havet, eftersom det väcker problem med föroreningar."

Det ledde Adib till piezoelektriska material, som har funnits och använts i mikrofoner och andra enheter i cirka 150 år. De producerar en liten spänning som svar på vibrationer. Men den effekten är också reversibel:Att applicera spänning gör att materialet deformeras. Om den placeras under vattnet, den effekten producerar en tryckvåg som går genom vattnet. De används ofta för att upptäcka sjunkna kärl, fisk, och andra undervattensföremål.

"Den reversibiliteten är det som gör att vi kan utveckla en mycket kraftfull undervattens-backscatter-kommunikationsteknik, säger Adib.

Kommunikation bygger på att förhindra att den piezoelektriska resonatorn naturligt deformeras som svar på påkänning. I hjärtat av systemet finns en nedsänkt nod, ett kretskort som rymmer en piezoelektrisk resonator, en energiskördande enhet, och en mikrokontroller. Alla typer av sensorer kan integreras i noden genom att programmera mikrokontrollern. En akustisk projektor (sändare) och undervattenslyssningsapparat, kallas en hydrofon (mottagare), är placerade en bit bort.

Säg att sensorn vill skicka en 0-bit. När sändaren skickar sin akustiska våg till noden, den piezoelektriska resonatorn absorberar vågen och deformeras naturligt, och energiskördaren lagrar lite laddning från de resulterande vibrationerna. Mottagaren ser då ingen reflekterad signal och avkodar ett 0.

Dock, när sensorn vill skicka en 1 bit, naturen förändras. När sändaren skickar en våg, mikrokontrollern använder den lagrade laddningen för att skicka lite spänning till den piezoelektriska resonatorn. Den spänningen omorienterar materialets struktur på ett sätt som hindrar det från att deformeras, och speglar istället vågen. Känner av en reflekterad våg, mottagaren avkodar en 1.

Långvarig djuphavsavkänning

Sändaren och mottagaren måste ha ström men kan planteras på fartyg eller bojar, där batterier är lättare att byta, eller ansluten till uttag på land. En sändare och en mottagare kan samla information från många sensorer som täcker ett eller flera områden.

"När du spårar ett marint djur, till exempel, du vill spåra den över en lång räckvidd och vill ha sensorn på dem under en lång tid. Du vill inte oroa dig för att batteriet tar slut, " säger Adib. "Eller, om du vill spåra temperaturgradienter i havet, du kan få information från sensorer som täcker ett antal olika platser."

En annan intressant applikation är övervakning av brinepooler, stora områden med saltlake som sitter i pooler i havsbassänger, och är svåra att övervaka på lång sikt. De existerar, till exempel, på den antarktiska hyllan, där salt sedimenterar under bildandet av havsis, och skulle kunna hjälpa till att studera smältande is och marina livs interaktion med poolerna. "Vi kunde känna vad som händer där nere, utan att behöva fortsätta dra upp sensorer när deras batterier dör, säger Adib.

Nästa, forskarna vill visa att systemet kan arbeta på längre avstånd och kommunicera med fler sensorer samtidigt. De hoppas också kunna testa om systemet kan överföra ljud och lågupplösta bilder.