MIT研究人員開發了一種浸沒傳感系統，利用“壓電”材料的振動產生電能發送和接收數據。

為了研究覆蓋地球大部分面積但還未開發的海洋，研究人員希望打造一種水下“物聯網”，即建立一個水下互聯的傳感器網絡，將傳感器捕獲的數據發送到水面。不過，如何為大量浸沒水底的傳感器持續供能，使它們在海洋深處長時間工作呢？

據麥姆斯咨詢報道，麻省理工學院（MIT）的研究人員找到了一個答案：一種無需電池、零功耗傳輸傳感器數據的水下通信系統。該系統可以用于監測海洋溫度，研究氣候變化，長期跟蹤海洋生物，甚至可以在遙遠的外星球水體中采集數據。

該系統利用了兩種關鍵技術。一種被稱為“壓電效應”，在某些材料中振動可以產生電荷。另一種是“反向散射”，一種常用的RFID標簽通信技術，它通過將調制的無線信號從RFID標簽反射回讀取器來傳輸數據。

在MIT研究人員設計的系統中，發射器在水中將聲波發送到存儲數據的壓電傳感器。當聲波傳遞到傳感器時，壓電材料振動產生電荷，并存儲在壓電傳感器中。然后，傳感器利用存儲的能量將波反射回接收器（也可以不發出反射波）。對應發送數據中的比特信號，以上述方式進行交替反射：對于反射波，接收器解碼為1；而沒有反射波，接收器解碼為0。

MIT研究人員發明的無電池水下“壓電”傳感器

“一旦找到發送1和0信號的方法，我們就可以發送任何信息。基本上，我們可以僅依靠傳入聲音信號的能量，與水下傳感器進行通信。”該研究論文共同作者Fadel Adib說。Adib是MIT媒體實驗室、電氣工程與計算機科學系助理教授，以及信號動力學研究組創始主任。

研究人員在MIT實驗池中演示了他們設計的壓電聲學反向散射系統，用它來收集水溫數據和壓力測量。該系統能夠在相距10米的傳感器和接收器之間，以每秒3千字節的速率同時傳輸來自兩個傳感器的的精確數據。

該系統不僅可以在地球上應用，Adib表示，該系統還可用于收集土星最大的衛星——土衛六（Titan）上最近發現的海洋的數據。今年6月，美國宇航局宣布了“Dragonfly”太空任務，計劃于2026年發送一輛漫游者探測土衛六，采集其海洋和其他地點的數據。

“我們如何將傳感器安放在土衛六的水體下，在這樣難以獲取能量的地方持續地長期工作？”Adib說，“我們開發的這種無需電池通信的傳感器，為極端環境中的傳感應用提供了可能。”

當Adib在家觀看“藍色星球”（一部探索海洋生物的著名紀錄片）時，受到了啟發。海洋覆蓋了地球表面約72%的面積。“我突然意識到我們對海洋的認識如此渺小，我們還不清楚很多海洋動物是如何進化和繁殖的，”他說。物聯網（IoT）設備可以幫助這項研究，“但在海平面下，我們無法使用Wi-Fi或藍牙信號……而且，我們不能把電池投入海洋，因為這會引起污染問題。”

這使Adib想到了壓電材料，這種材料已經存在約150年，已在麥克風和其他傳感器中應用。它們能夠響應振動產生微小的電壓。并且，這種特性也是可逆的，對壓電材料施加電壓可以導致材料形變。如果將壓電材料置于水下，利用該效應可以產生在水中傳播的壓力波。這通常可用于探測沉沒的船只、魚類和其他水下物體。

“這種可逆的壓電特性使我們能夠開發出非常強大的水下反向散射通信技術。”Adib說。

該系統的核心包括一個浸沒水下的節點，一個容納壓電諧振器的電路板，一個能量收集單元和一個微控制器。通過編程微控制器，可以將任何類型的傳感器集成到節點中。水聲發生器（發射器）和水下聽音裝置（水聽器，即接收器）放置在一定距離之外。

如果傳感器想要發送一個“0”信號。當發射器在節點處發送聲波時，壓電諧振器吸收波并發生形變振動，能量采集器存儲振動所產生的電荷。接收器沒有接收到反射信號，解碼為“0”信號。

當傳感器想要發送“1”信號時，情況就發生了變化。當發射器發送聲波時，微控制器利用存儲的電荷向壓電諧振器施加一定的電壓。該電壓重新定向材料的結構阻止材料形變，轉而反射波。接收器感應到反射波，解碼為“1”信號。

長期深海傳感

發射器和接收器必須供電，但它們可以安置在船上或浮標上，這些地方更容易更換電池，或者直接連接供電插座。一個發射器和一個接收器可以覆蓋一個或許多區域，采集很多傳感器收集的信息。

“例如，當我們跟蹤一只海洋動物時，需要長時間大范圍地跟蹤，希望將傳感器一直保持在它們的身上，而無需考慮電池耗盡的問題。”Adib說，“或者，我們需要跟蹤海洋中的溫度梯度，可以從覆蓋很多位置的傳感器捕捉數據。”

另一個有趣的應用是監測海底的鹵水池，鹵水池中的海水鹽度比周圍海水要高，難以長期監測。例如，在南極陸架上由于海冰形成期間的鹽沉降形成的鹵水池。研究它們可以幫助研究冰融化以及海洋生物與鹵水池的相互作用。“我們可以長期持續地感知那里正在發生的狀況，而不需要經常把傳感器拉上來更換電池，”Adib說。

***國立大學電子工程系教授Polly Huang對這項技術的新穎性和對環境科學的潛在影響表示贊賞。“這個創新很酷，”Huang說，“使用壓電晶體來獲取能量并不新鮮。但這是第一次看到壓電晶體在采集能量的同時被用作無線電，這在傳感網以及傳感系統研究領域前所未有。此外，其硬件設計和制造也很獨特，電路和封裝設計既合理又有趣。”

盡管該系統還需要進一步的實驗，尤其是在海水中，Huang補充說：“這可能是海洋傳記、海洋學甚至氣象學研究人員急需的終極解決方案，這些應用都需要長期、低干預的水下傳感。”

接下來，研究人員將驗證該系統在更遠的距離工作，同時與更多傳感器通信。他們還希望測試該系統是否能傳輸聲音和低分辨率圖像。