巧妙的“扭曲”来进行收集能量

我一直对工程师和其他人为能量收集开发的创造性方法感兴趣。当然，虽然这样做有很大的动机——能量收集具有“不劳而获”的魅力——但现实是，它通常需要大量的工作和成本来开发。尽管如此，它可以通过在单独的一次电池（或交流线路）不切实际的情况下提供电力来解决一些原本难以解决的问题。

这就是为什么麻省理工学院的一个团队最近的一项研究令人着迷。研究人员不仅使用巧妙的“扭曲”来收集能量，而且还将收集方案与数据报告本身紧密结合在一起。该团队结合了两种截然不同的现象——压电效应和反向散射——以提供适度的数据速率、无电池的水下传感器和数据链路，他们称之为压电声学反向散射 (PAB) 系统。反向散射本身是一种众所周知的技术，通常与无源 RFID 和其他系统一起使用。它使用定向冲击能量来刺激、驱动和提供响应，通常在电磁射频领域。

在麻省理工学院团队的 PAB 系统中，发射器通过水向水下压电传感器和电路发送定向声（压力）波，该传感器和电路存储了传感数据——可能是水温、流量、盐度或其他感兴趣的参数。这个水下节点有一个电路板，其中包含一个压电谐振器、一个能量收集单元和一个微控制器，图 2。当这种能量波撞击传感器时，压电材料会振动并储存产生的电荷——这就是能量收集周期的开始。接下来，传感器使用存储的能量将波反射或不反射回接收器。接收器将反射视为 1，将非反射视为 0，因此可以对串行数据流进行解码。

压电元件作为采集器和接收器/发射器之间的关系是紧密结合的。当传感器想要发送 0 位时，发送器将其声波发送到节点。压电谐振器吸收波并轻微变形（重新定向）——从而产生少量可存储的能量，以后可以收集这些能量。由于压电元件吸收撞击能量，接收器看不到反射信号并解码为 0。

但是，当传感器想要发送 1 位时，动作/反应会发生变化。同样，发射器发送声能波。但现在，微控制器使用存储的电荷向压电谐振器发送电压脉冲。该脉冲电压会影响压电材料的结构，从而防止其变形。相反，材料现在将入射波反射回接收器，在那里它被感应并解码为 1。

当我看到这篇论文时，我最初的想法是实际数据会非常缓慢，大约为几比特/秒（这在许多传感器应用中仍然有用）。但在麻省理工学院大型水箱的测试中，（与海洋不同，但仍然是一个起点）他们实现了高达 3 Kbps 的速率和高达 10 米的距离，这两个都是可观的成就。

“一旦你有办法传输 1 和 0，你就可以发送任何信息，”共同作者 Fadel Adib 说，他是麻省理工学院媒体实验室和电气工程与计算机科学系的助理教授，也是 Signal Kinetics 的创始主任。研究组。“基本上，我们可以仅根据我们正在收集其能量的传入声音信号与水下传感器进行通信。”

在他们发表演讲时，在 SIGGRAPH 2019（8 月举行）期间，该团队尚未在海洋中部署该系统——这在许多电气、电子和环境方面都是一个令人讨厌的操作环境。甚至海洋的盐度也从每升 35 克溶解盐的典型值（约 3.5%，或千分之 35）变化到正常范围为每升 33-37 克。也有明显的更高或更低盐度的水下“河流”流经一个区域，导致影响能量路径的盐度阻抗不连续性。

MIT 团队的高可读性论文有一个令人耳目一新的短标题“ Underwater Backscatter Networking ”，并获得了会议的“最佳论文”奖。它详细介绍了他们部分由美国海军研究办公室赞助的工作；这里还有一个发布的视频。