MIT开发用于监测海洋温度和可进行数据采集的水下压电传感器

MIT研究人员开发了一种浸没传感系统，利用“压电”材料的振动产生电能发送和接收数据。

为了研究覆盖地球大部分面积但还未开发的海洋，研究人员希望打造一种水下“物联网”，即建立一个水下互联的传感器网络，将传感器捕获的数据发送到水面。不过，如何为大量浸没水底的传感器持续供能，使它们在海洋深处长时间工作呢？

据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院（MIT）的研究人员找到了一个答案：一种无需电池、零功耗传输传感器数据的水下通信系统。该系统可以用于监测海洋温度，研究气候变化，长期跟踪海洋生物，甚至可以在遥远的外星球水体中采集数据。

该系统利用了两种关键技术。一种被称为“压电效应”，在某些材料中振动可以产生电荷。另一种是“反向散射”，一种常用的RFID标签通信技术，它通过将调制的无线信号从RFID标签反射回读取器来传输数据。

在MIT研究人员设计的系统中，发射器在水中将声波发送到存储数据的压电传感器。当声波传递到传感器时，压电材料振动产生电荷，并存储在压电传感器中。然后，传感器利用存储的能量将波反射回接收器（也可以不发出反射波）。对应发送数据中的比特信号，以上述方式进行交替反射：对于反射波，接收器解码为1；而没有反射波，接收器解码为0。

MIT研究人员发明的无电池水下“压电”传感器

“一旦找到发送1和0信号的方法，我们就可以发送任何信息。基本上，我们可以仅依靠传入声音信号的能量，与水下传感器进行通信。”该研究论文共同作者Fadel Adib说。Adib是MIT媒体实验室、电气工程与计算机科学系助理教授，以及信号动力学研究组创始主任。

研究人员在MIT实验池中演示了他们设计的压电声学反向散射系统，用它来收集水温数据和压力测量。该系统能够在相距10米的传感器和接收器之间，以每秒3千字节的速率同时传输来自两个传感器的的精确数据。

该系统不仅可以在地球上应用，Adib表示，该系统还可用于收集土星最大的卫星——土卫六（TItan）上最近发现的海洋的数据。今年6月，美国宇航局宣布了“Dragonfly”太空任务，计划于2026年发送一辆漫游者探测土卫六，采集其海洋和其他地点的数据。

“我们如何将传感器安放在土卫六的水体下，在这样难以获取能量的地方持续地长期工作？”Adib说，“我们开发的这种无需电池通信的传感器，为极端环境中的传感应用提供了可能。”

当Adib在家观看“蓝色星球”（一部探索海洋生物的著名纪录片）时，受到了启发。海洋覆盖了地球表面约72%的面积。“我突然意识到我们对海洋的认识如此渺小，我们还不清楚很多海洋动物是如何进化和繁殖的，”他说。物联网（IoT）设备可以帮助这项研究，“但在海平面下，我们无法使用Wi-Fi或蓝牙信号……而且，我们不能把电池投入海洋，因为这会引起污染问题。”

这使Adib想到了压电材料，这种材料已经存在约150年，已在麦克风和其他传感器中应用。它们能够响应振动产生微小的电压。并且，这种特性也是可逆的，对压电材料施加电压可以导致材料形变。如果将压电材料置于水下，利用该效应可以产生在水中传播的压力波。这通常可用于探测沉没的船只、鱼类和其他水下物体。

“这种可逆的压电特性使我们能够开发出非常强大的水下反向散射通信技术。”Adib说。

该系统的核心包括一个浸没水下的节点，一个容纳压电谐振器的电路板，一个能量收集单元和一个微控制器。通过编程微控制器，可以将任何类型的传感器集成到节点中。水声发生器（发射器）和水下听音装置（水听器，即接收器）放置在一定距离之外。

如果传感器想要发送一个“0”信号。当发射器在节点处发送声波时，压电谐振器吸收波并发生形变振动，能量采集器存储振动所产生的电荷。接收器没有接收到反射信号，解码为“0”信号。

当传感器想要发送“1”信号时，情况就发生了变化。当发射器发送声波时，微控制器利用存储的电荷向压电谐振器施加一定的电压。该电压重新定向材料的结构阻止材料形变，转而反射波。接收器感应到反射波，解码为“1”信号。

长期深海传感

发射器和接收器必须供电，但它们可以安置在船上或浮标上，这些地方更容易更换电池，或者直接连接供电插座。一个发射器和一个接收器可以覆盖一个或许多区域，采集很多传感器收集的信息。

“例如，当我们跟踪一只海洋动物时，需要长时间大范围地跟踪，希望将传感器一直保持在它们的身上，而无需考虑电池耗尽的问题。”Adib说，“或者，我们需要跟踪海洋中的温度梯度，可以从覆盖很多位置的传感器捕捉数据。”

另一个有趣的应用是监测海底的卤水池，卤水池中的海水盐度比周围海水要高，难以长期监测。例如，在南极陆架上由于海冰形成期间的盐沉降形成的卤水池。研究它们可以帮助研究冰融化以及海洋生物与卤水池的相互作用。“我们可以长期持续地感知那里正在发生的状况，而不需要经常把传感器拉上来更换电池，”Adib说。

台湾国立大学电子工程系教授Polly Huang对这项技术的新颖性和对环境科学的潜在影响表示赞赏。“这个创新很酷，”Huang说，“使用压电晶体来获取能量并不新鲜。但这是第一次看到压电晶体在采集能量的同时被用作无线电，这在传感网以及传感系统研究领域前所未有。此外，其硬件设计和制造也很独特，电路和封装设计既合理又有趣。”

尽管该系统还需要进一步的实验，尤其是在海水中，Huang补充说：“这可能是海洋传记、海洋学甚至气象学研究人员急需的终极解决方案，这些应用都需要长期、低干预的水下传感。”

接下来，研究人员将验证该系统在更远的距离工作，同时与更多传感器通信。他们还希望测试该系统是否能传输声音和低分辨率图像。