無須供電也能傳訊的水下感測器,可布置在海洋深處

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 21 日 13:59 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly


一種無須電池、幾乎不用電源供應的水下感測與通訊系統被科學家研發出來了,麻省理工學院表示,這將能用來大面積覆蓋至今依然乏人問津的深層海洋,打造出「水下物聯網」。

電子儀器不用充電、不須配備電池聽起來很不可思議,但這確實是有可能美夢成真的研發方向,過去便有科學家嘗試過開發無須充電的手機,雖然結果表明,還有巨大瓶頸尚待突破。

而麻省理工學院團隊現在研發出無須充電、也不用裝備電池的水下感測器,能近乎零功率傳輸數據。

但要如何為無數個長期泡在海洋深處的感測器提供恆定功率?研究人員結合了兩種關鍵現象:反向散射(backscatter)、壓電效應(piezoelectric effect)。

反向散射是一種常用於無線射頻辨識(Radio Frequency IDentification,RFID)標籤的通訊技術,透過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據;壓電效應則是介電質材料中一種機械能與電能互換的現象。

團隊研發的水下感測與通訊系統包含發射器、接收器、感測器三部分,發射器和接收器必須連接電源,所以得放在船上或海上浮標,電池容易更換;感測器則是放在水下,其核心系統包含一個節點(node)、一個容納壓電共振器的電路板、一個能量收集單元、一個微控制器。

首先,發射器透過水發出聲波撞擊存儲數據的水下壓電感測器,接著壓電共振器吸收波後變形,如果不想反射波,則能量採集器從材料所產生的振動中儲存少量電荷,接收器接收不到反射波,就會解碼為 0;若感測器將聲波反射給接收器,則接收器就會解碼為 1,利用二進制方式有效通訊。

這項技術能將感測器布置在海洋深處,實時監測海水溫度梯度變化,也可以將感測器放在欲長時間研究的海洋生物身上,追蹤其去向而不用擔心感測器耗盡電力;甚至,未來有機會應用在探測器上,收集其他行星、衛星的海水樣本,比如土衛六泰坦。

(首圖來源:麻省理工學院

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