Des chercheurs du MIT ont trouvé la solution : un système de communication sous-marine sans batterie, qui consomme une énergie quasi nulle pour transmettre les données des capteurs. Ce système pourrait servir à surveiller la température de l’eau afin d’étudier le changement climatique et de suivre l’évolution de la vie marine sur de longues périodes, voire même à prélever des échantillons d’eau sur des planètes lointaines. Ils présenteront ce système cette semaine à la conférence SIGCOMM, dans le cadre d’un article qui a remporté le prix du « meilleur article » de la conférence.
Le système exploite deux phénomènes clés. Le premier, appelé « effet piézoélectrique », se produit lorsque les vibrations de certains matériaux génèrent une charge électrique. Le second est la « rétrodiffusion », une technique de communication couramment utilisée pour les étiquettes RFID, qui transmet des données en réfléchissant des signaux sans fil modulés émis par une étiquette vers un lecteur.
Dans le système mis au point par les chercheurs, un émetteur envoie des ondes acoustiques à travers l'eau vers un capteur piézoélectrique contenant des données. Lorsque l'onde atteint le capteur, le matériau vibre et emmagasine la charge électrique résultante. Le capteur utilise ensuite cette énergie pour réfléchir une onde vers un récepteur, ou bien ne rien réfléchir du tout. Cette alternance de réflexion correspond aux bits des données transmises : en cas de réflexion, le récepteur décode un 1 ; en l'absence de réflexion, il décode un 0.
« Dès lors qu'on dispose d'un moyen de transmettre des 1 et des 0, on peut envoyer n'importe quelle information », explique Fadel Adib, co-auteur de l'étude, professeur au MIT Media Lab et au département de génie électrique et d'informatique, et directeur fondateur du groupe de recherche sur la cinétique du signal. « Concrètement, nous pouvons communiquer avec des capteurs sous-marins en nous basant uniquement sur les signaux sonores entrants dont nous récupérons l'énergie. ».
Les chercheurs ont testé leur système de rétrodiffusion piézoacoustique dans une piscine du MIT, l'utilisant pour mesurer la température et la pression de l'eau. Le système a pu transmettre simultanément 3 kilo-octets par seconde de données précises provenant de deux capteurs, sur une distance de 10 mètres entre le capteur et le récepteur.
Les applications de ce système dépassent largement le cadre de notre planète. Selon Adib, il pourrait servir à collecter des données sur l'océan souterrain récemment découvert sur Titan, la plus grande lune de Saturne. En juin, la NASA a annoncé la mission Dragonfly, qui prévoit l'envoi d'un rover en 2026 pour explorer Titan, collecter des échantillons de dépôts d'eau et d'autres sites lunaires.
« Comment déployer un capteur sous-marin sur Titan, capable de fonctionner longtemps dans un endroit où l'alimentation électrique est difficile à obtenir ? », s'interroge Adib, co-auteur de l'article avec JunSu Jang, chercheur au Media Lab. « Les capteurs fonctionnant sans batterie ouvrent de nouvelles perspectives pour la détection en environnements extrêmes. ».
Prévenir la déformation
: L’idée de ce système est venue à Adib alors qu’il regardait « Blue Planet », une série documentaire animalière explorant divers aspects de la vie marine. Les océans recouvrent environ 72 % de la surface de la Terre. « Je me suis rendu compte à quel point nous connaissons peu de choses sur l’océan et sur la façon dont les animaux marins évoluent et se reproduisent », explique-t-il. Les objets connectés (IoT) pourraient contribuer à ces recherches, « mais sous l’eau, on ne peut pas utiliser le Wi-Fi ou le Bluetooth… et il est hors de question de disperser des batteries dans l’océan, car cela pose des problèmes de pollution. »
Ceci a conduit Adib à s'intéresser aux matériaux piézoélectriques, utilisés depuis environ 150 ans dans les microphones et autres appareils. Ces matériaux génèrent une faible tension en réponse aux vibrations. Cet effet est également réversible : l'application d'une tension provoque la déformation du matériau. Immergé, ce matériau produit une onde de pression qui se propage dans l'eau. On l'utilise fréquemment pour détecter les épaves, les poissons et autres objets sous-marins.
« C’est cette réversibilité qui nous permet de développer une technologie de communication sous-marine par rétrodiffusion très performante », explique Adib.
La communication repose sur la prévention de la déformation naturelle du résonateur piézoélectrique sous l'effet des contraintes. Au cœur du système se trouve un nœud immergé, une carte de circuit imprimé intégrant un résonateur piézoélectrique, un dispositif de récupération d'énergie et un microcontrôleur. Tout type de capteur peut être intégré au nœud par programmation du microcontrôleur. Un projecteur acoustique (émetteur) et un dispositif d'écoute sous-marin, appelé hydrophone (récepteur), sont positionnés à distance.
Supposons que le capteur souhaite transmettre un bit 0. Lorsque l'émetteur envoie son onde acoustique au nœud, le résonateur piézoélectrique absorbe l'onde et se déforme naturellement, et le collecteur d'énergie emmagasine une faible charge due aux vibrations induites. Le récepteur ne détecte aucun signal réfléchi et décode un bit 0.
Cependant, lorsque le capteur souhaite émettre un bit, le processus change. Lorsque l'émetteur envoie une onde, le microcontrôleur utilise la charge stockée pour envoyer une faible tension au résonateur piézoélectrique. Cette tension réoriente la structure du matériau de manière à l'empêcher de se déformer et à réfléchir l'onde. À la détection d'une onde réfléchie, le récepteur décode un bit.
Détection en eaux profondes à long terme
L'émetteur et le récepteur nécessitent une source d'alimentation, mais peuvent être installés sur des bateaux ou des bouées, où les batteries sont plus faciles à remplacer, ou branchés sur des prises de courant à terre. Un seul émetteur et un seul récepteur peuvent collecter les données de plusieurs capteurs couvrant une ou plusieurs zones.
« Pour suivre un animal marin, par exemple, il faut pouvoir le suivre sur une longue distance et laisser le capteur en place pendant une période prolongée. On n’a pas à se soucier d’une batterie déchargée », explique Adib. « De même, pour suivre les gradients de température dans l’océan, on peut obtenir des informations grâce à des capteurs installés à différents endroits. ».
Une autre application intéressante concerne la surveillance des bassins de saumure, vastes étendues de saumure présentes dans les bassins océaniques et difficiles à suivre sur le long terme. On en trouve par exemple sur le plateau continental antarctique, où le sel se dépose lors de la formation de la banquise. Ces bassins pourraient contribuer à l'étude de la fonte des glaces et des interactions entre la faune marine et ces milieux. « Nous avons pu détecter ce qui s'y passe sans avoir à réactiver constamment les capteurs lorsque leurs batteries sont déchargées », explique Adib.
Les chercheurs prévoient ensuite de démontrer que le système peut fonctionner sur de plus longues distances et communiquer simultanément avec un plus grand nombre de capteurs. Ils espèrent également tester sa capacité à transmettre du son et des images basse résolution.
Ces travaux sont financés, en partie, par le Bureau américain de la recherche navale.
