Исследователи из Массачусетского технологического института нашли решение: подводная система связи без батарей, использующая практически нулевое энергопотребление для передачи данных с датчиков. Система может быть использована для мониторинга температуры моря с целью изучения изменения климата и отслеживания морской жизни в течение длительных периодов времени, а также для отбора проб воды на далеких планетах. Они представят систему на конференции SIGCOMM на этой неделе в статье, получившей награду «Лучшая статья» конференции.
Система использует два ключевых явления. Одно из них, называемое «пьезоэлектрическим эффектом», возникает, когда вибрации в определенных материалах генерируют электрический заряд. Другое — это «обратное рассеяние», метод связи, широко используемый для RFID-меток, который передает данные путем отражения модулированных беспроводных сигналов от метки обратно к считывателю.
В разработанной исследователями системе передатчик посылает акустические волны через воду к пьезоэлектрическому датчику, который хранит данные. Когда волна достигает датчика, материал вибрирует и накапливает образовавшийся электрический заряд. Затем датчик использует накопленную энергию для отражения волны обратно к приемнику или не отражает ничего вообще. Чередование отражений таким образом соответствует битам в передаваемых данных: для отраженной волны приемник декодирует 1; для отсутствия отражения — 0.
«Как только у вас появится способ передавать единицы и нули, вы сможете отправлять любую информацию», — говорит соавтор Фадель Адиб, профессор лаборатории медиатехнологий Массачусетского технологического института и кафедры электротехники и информатики, а также один из основателей исследовательской группы Signal Kinetics Research Group. «По сути, мы можем общаться с подводными датчиками, основываясь исключительно на поступающих звуковых сигналах, энергию которых мы собираем».
Исследователи продемонстрировали свою пьезоакустическую систему обратного рассеяния в бассейне Массачусетского технологического института, используя ее для сбора данных о температуре и давлении воды. Система смогла передавать 3 килобайта в секунду точных данных одновременно с двух датчиков на расстояние 10 метров между датчиком и приемником.
Области применения системы простираются далеко за пределы нашей планеты. По словам Адиба, система может быть использована для сбора данных из недавно обнаруженного подповерхностного океана на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане. В июне НАСА объявило о миссии Dragonfly, в рамках которой в 2026 году будет отправлен марсоход для исследования спутника, сбора образцов из водных отложений и других мест.
«Как можно разместить под водой на Титане датчик, который будет работать долгое время в месте, где трудно получить питание?» — говорит Адиб, соавтор статьи вместе с исследователем из Media Lab ДжунСу Чжаном. «Датчики, которые обмениваются данными без батарей, открывают возможности для обнаружения объектов в экстремальных условиях».
Предотвращение деформации
: Вдохновение для системы пришло к Адибу во время просмотра документального сериала о природе «Голубая планета», посвященного различным аспектам морской жизни. Океаны покрывают около 72 процентов поверхности Земли. «Мне пришло в голову, как мало мы знаем об океане и о том, как морские животные эволюционируют и размножаются», — говорит он. Устройства Интернета вещей (IoT) могли бы помочь в этих исследованиях, «но под водой нельзя использовать сигналы Wi-Fi или Bluetooth... и не хочется размещать батареи по всему океану, потому что это создает проблемы загрязнения».
Это привело Адиба к пьезоэлектрическим материалам, которые существуют и используются в микрофонах и других устройствах уже около 150 лет. Они генерируют небольшое напряжение в ответ на вибрации. Но этот эффект также обратимый: приложение напряжения вызывает деформацию материала. Если поместить их под воду, этот эффект создаст волну давления, которая распространяется в воде. Их часто используют для обнаружения затонувших кораблей, рыбы и других подводных объектов.
«Именно эта обратимость позволяет нам разработать очень мощную технологию подводной связи с обратным рассеянием», — говорит Адиб.
Связь основана на предотвращении естественной деформации пьезоэлектрического резонатора под воздействием напряжения. В основе системы лежит подводный узел, печатная плата, на которой размещен пьезоэлектрический резонатор, блок сбора энергии и микроконтроллер. Любой тип датчика может быть интегрирован в узел путем программирования микроконтроллера. Акустический проектор (передатчик) и подводное устройство для прослушивания, называемое гидрофоном (приемник), расположены на некотором расстоянии друг от друга.
Предположим, датчик хочет отправить нулевой бит. Когда передатчик посылает акустическую волну на узел, пьезоэлектрический резонатор поглощает волну и деформируется естественным образом, а коллектор энергии накапливает небольшой заряд от возникающих колебаний. Приемник не видит отраженного сигнала и декодирует 0.
Однако, когда датчик хочет передать бит, процесс меняется. Когда передатчик посылает волну, микроконтроллер использует накопленный заряд для подачи небольшого напряжения на пьезоэлектрический резонатор. Это напряжение переориентирует структуру материала таким образом, что предотвращает его деформацию и вместо этого отражает волну. При обнаружении отраженной волны приемник декодирует 1.
Долгосрочное глубоководное обнаружение
Передатчику и приемнику требуется источник питания, но их можно устанавливать на лодках или буях, где батареи проще заменять, или подключать к розеткам на суше. Один передатчик и один приемник могут собирать данные с нескольких датчиков, охватывающих одну или несколько областей.
«Например, когда вы отслеживаете морское животное, вам нужно следить за ним на большом расстоянии и держать датчик на нем в течение длительного времени. Вам не нужно беспокоиться о разряженной батарее», — говорит Адиб. «Или, если вы хотите отслеживать температурные градиенты в океане, вы можете получать информацию от датчиков, расположенных в нескольких разных местах».
Еще одно интересное применение — мониторинг рассола в больших водоемах, содержащих большое количество рассола, которые трудно отслеживать в течение длительного времени. Такие водоемы существуют, например, на антарктическом шельфе, где соль откладывается во время образования морского льда, и могут помочь в изучении таяния льда и взаимодействия морской жизни с этими водоемами. «Мы смогли почувствовать, что там происходит, без необходимости постоянно активировать датчики, когда у них разряжаются батареи», — говорит Адиб.
Далее исследователи намерены продемонстрировать, что система может работать на больших расстояниях и одновременно взаимодействовать с большим количеством датчиков. Они также надеются проверить, может ли система передавать звук и изображения низкого разрешения.
Данная работа частично финансируется Управлением военно-морских исследований США.
