Om de enorm onontgonnen oceanen te onderzoeken die het grootste deel van onze planeet bedekken, onderzoekers willen een ondergedompeld netwerk van onderling verbonden sensoren bouwen die gegevens naar de oppervlakte sturen - een onderwater 'internet of things'. Maar hoe kunnen tientallen sensoren constant van stroom worden voorzien die zijn ontworpen om langdurig in de diepte van de oceaan te blijven?

MIT-onderzoekers hebben een antwoord:een batterijloos onderwatercommunicatiesysteem dat bijna nul stroom verbruikt om sensorgegevens te verzenden. Het systeem zou kunnen worden gebruikt om de zeetemperatuur te monitoren om klimaatverandering te bestuderen en het zeeleven over lange perioden te volgen - en zelfs om watermonsters op verre planeten te nemen. Ze presenteren het systeem deze week op de SIGCOMM-conferentie, in een paper die de prijs voor "beste paper" van de conferentie heeft gewonnen.

Het systeem maakt gebruik van twee belangrijke fenomenen. Een, het "piëzo-elektrische effect" genoemd, " treedt op wanneer trillingen in bepaalde materialen een elektrische lading genereren. De andere is "terugverstrooiing, " een communicatietechniek die vaak wordt gebruikt voor RFID-tags, die gegevens verzendt door gemoduleerde draadloze signalen van een tag en terug naar een lezer te reflecteren.

In het systeem van de onderzoekers een zender stuurt akoestische golven door water naar een piëzo-elektrische sensor die gegevens heeft opgeslagen. Wanneer de golf de sensor raakt, het materiaal trilt en slaat de resulterende elektrische lading op. Vervolgens gebruikt de sensor de opgeslagen energie om een ​​golf terug te kaatsen naar een ontvanger - of hij reflecteert er helemaal geen. Afwisselen tussen reflectie op die manier komt overeen met de bits in de verzonden gegevens:voor een gereflecteerde golf, de ontvanger decodeert een 1; voor geen gereflecteerde golf, de ontvanger decodeert een 0.

"Als je eenmaal een manier hebt om enen en nullen te verzenden, u kunt alle informatie sturen, " zegt co-auteur Fadel Adib, een assistent-professor in het MIT Media Lab en de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen en stichtend directeur van de Signal Kinetics Research Group. "In principe, we kunnen communiceren met onderwatersensoren uitsluitend gebaseerd op de binnenkomende geluidssignalen waarvan we de energie oogsten."

De onderzoekers demonstreerden hun Piezo-Acoustic Backscatter System in een MIT-pool, gebruiken om watertemperatuur- en drukmetingen te verzamelen. Het systeem kon 3 kilobyte per seconde aan nauwkeurige gegevens van twee sensoren tegelijk verzenden op een afstand van 10 meter tussen sensor en ontvanger.

Toepassingen gaan verder dan onze eigen planeet. Het systeem, Adib zegt, zou kunnen worden gebruikt om gegevens te verzamelen in de recent ontdekte ondergrondse oceaan op de grootste maan van Saturnus, Titan. In juni, NASA kondigde de Dragonfly-missie aan om in 2026 een rover te sturen om de maan te verkennen, bemonstering van waterreservoirs en andere locaties.

"Hoe kun je een sensor onder water op Titan plaatsen die lang meegaat op een plek waar het moeilijk is om energie te krijgen?" zegt Adib, die samen met Media Lab-onderzoeker JunSu Jang het artikel schreef. "Sensoren die communiceren zonder batterij bieden mogelijkheden voor detectie in extreme omgevingen."

Vervorming voorkomen

Inspiratie voor het systeem sloeg toe terwijl Adib naar "Blue Planet, " een serie natuurdocumentaires die verschillende aspecten van het zeeleven onderzoekt. Oceanen beslaan ongeveer 72 procent van het aardoppervlak. "Het viel me op hoe weinig we weten van de oceaan en hoe zeedieren evolueren en zich voortplanten, " zegt hij. Internet-of-things (IoT)-apparaten kunnen dat onderzoek helpen, "maar onder water kun je geen wifi- of Bluetooth-signalen gebruiken ... en je wilt geen batterijen overal in de oceaan leggen, want dat roept problemen op met vervuiling."

Dat leidde Adib tot piëzo-elektrische materialen, die al ongeveer 150 jaar bestaan ​​en worden gebruikt in microfoons en andere apparaten. Ze produceren een kleine spanning als reactie op trillingen. Maar dat effect is ook omkeerbaar:door het aanleggen van spanning vervormt het materiaal. Indien onder water geplaatst, dat effect produceert een drukgolf die door het water reist. Ze worden vaak gebruikt om gezonken schepen te detecteren, vis, en andere onderwaterobjecten.

"Die omkeerbaarheid stelt ons in staat om een ​​zeer krachtige onderwater-backscatter-communicatietechnologie te ontwikkelen, ' zegt Adib.

Communiceren is afhankelijk van het voorkomen dat de piëzo-elektrische resonator op natuurlijke wijze vervormt als reactie op spanning. Het hart van het systeem is een verzonken knoop, een printplaat met een piëzo-elektrische resonator, een energieoogsteenheid, en een microcontroller. Elk type sensor kan in het knooppunt worden geïntegreerd door de microcontroller te programmeren. Een akoestische projector (zender) en een onderwaterluisterapparaat, een hydrofoon (ontvanger) genoemd, worden op enige afstand geplaatst.

Stel dat de sensor een 0 bit wil verzenden. Wanneer de zender zijn akoestische golf naar het knooppunt verzendt, de piëzo-elektrische resonator absorbeert de golf en vervormt op natuurlijke wijze, en de energie-oogster slaat een beetje lading op van de resulterende trillingen. De ontvanger ziet dan geen gereflecteerd signaal en decodeert een 0.

Echter, wanneer de sensor een 1 bit wil verzenden, de natuur verandert. Wanneer de zender een golf zendt, de microcontroller gebruikt de opgeslagen lading om een ​​beetje spanning naar de piëzo-elektrische resonator te sturen. Die spanning heroriënteert de structuur van het materiaal op een manier die voorkomt dat het vervormt, en in plaats daarvan de golf weerkaatst. Een gereflecteerde golf waarnemen, de ontvanger decodeert een 1.

Diepzeedetectie op lange termijn

De zender en ontvanger moeten stroom hebben maar kunnen op schepen of boeien worden geplant, waar batterijen gemakkelijker te vervangen zijn, of aangesloten op stopcontacten op het land. Eén zender en één ontvanger kunnen informatie verzamelen van vele sensoren die één of meerdere gebieden bestrijken.

"Als je een zeedier volgt, bijvoorbeeld, je het over een groot bereik wilt volgen en de sensor er voor een lange tijd op wilt houden. U hoeft zich geen zorgen te maken dat de batterij leeg raakt, "zegt Adib. "Of, als je temperatuurgradiënten in de oceaan wilt volgen, je kunt informatie krijgen van sensoren op een aantal verschillende plaatsen."

Een andere interessante toepassing is het monitoren van pekelbaden, grote gebieden pekel die in poelen in oceaanbekkens zitten, en zijn moeilijk op lange termijn te volgen. Ze bestaan, bijvoorbeeld, op het Antarctisch plat, waar zout bezinkt tijdens de vorming van zee-ijs, en zou kunnen helpen bij het bestuderen van smeltend ijs en de interactie van het zeeleven met de zwembaden. "We konden voelen wat daar beneden gebeurt, zonder sensoren omhoog te hoeven slepen als hun batterijen leeg zijn, ' zegt Adib.

Volgende, de onderzoekers willen aantonen dat het systeem op grotere afstanden kan werken en tegelijkertijd met meer sensoren kan communiceren. Ze hopen ook te testen of het systeem geluid en afbeeldingen met een lage resolutie kan verzenden.