巧妙的“扭曲”來(lái)進(jìn)行收集能量

我一直對(duì)工程師和其他人為能量收集開(kāi)發(fā)的創(chuàng)造性方法感興趣。當(dāng)然，雖然這樣做有很大的動(dòng)機(jī)——能量收集具有“不勞而獲”的魅力——但現(xiàn)實(shí)是，它通常需要大量的工作和成本來(lái)開(kāi)發(fā)。盡管如此，它可以通過(guò)在單獨(dú)的一次電池（或交流線路）不切實(shí)際的情況下提供電力來(lái)解決一些原本難以解決的問(wèn)題。

這就是為什么麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近的一項(xiàng)研究令人著迷。研究人員不僅使用巧妙的“扭曲”來(lái)收集能量，而且還將收集方案與數(shù)據(jù)報(bào)告本身緊密結(jié)合在一起。該團(tuán)隊(duì)結(jié)合了兩種截然不同的現(xiàn)象——壓電效應(yīng)和反向散射——以提供適度的數(shù)據(jù)速率、無(wú)電池的水下傳感器和數(shù)據(jù)鏈路，他們稱之為壓電聲學(xué)反向散射 (PAB) 系統(tǒng)。反向散射本身是一種眾所周知的技術(shù)，通常與無(wú)源 RFID 和其他系統(tǒng)一起使用。它使用定向沖擊能量來(lái)刺激、驅(qū)動(dòng)和提供響應(yīng)，通常在電磁射頻領(lǐng)域。

在麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的 PAB 系統(tǒng)中，發(fā)射器通過(guò)水向水下壓電傳感器和電路發(fā)送定向聲（壓力）波，該傳感器和電路存儲(chǔ)了傳感數(shù)據(jù)——可能是水溫、流量、鹽度或其他感興趣的參數(shù)。這個(gè)水下節(jié)點(diǎn)有一個(gè)電路板，其中包含一個(gè)壓電諧振器、一個(gè)能量收集單元和一個(gè)微控制器，圖 2。當(dāng)這種能量波撞擊傳感器時(shí)，壓電材料會(huì)振動(dòng)并儲(chǔ)存產(chǎn)生的電荷——這就是能量收集周期的開(kāi)始。接下來(lái)，傳感器使用存儲(chǔ)的能量將波反射或不反射回接收器。接收器將反射視為 1，將非反射視為 0，因此可以對(duì)串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼。

壓電元件作為采集器和接收器/發(fā)射器之間的關(guān)系是緊密結(jié)合的。當(dāng)傳感器想要發(fā)送 0 位時(shí)，發(fā)送器將其聲波發(fā)送到節(jié)點(diǎn)。壓電諧振器吸收波并輕微變形（重新定向）——從而產(chǎn)生少量可存儲(chǔ)的能量，以后可以收集這些能量。由于壓電元件吸收撞擊能量，接收器看不到反射信號(hào)并解碼為 0。

但是，當(dāng)傳感器想要發(fā)送 1 位時(shí)，動(dòng)作/反應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。同樣，發(fā)射器發(fā)送聲能波。但現(xiàn)在，微控制器使用存儲(chǔ)的電荷向壓電諧振器發(fā)送電壓脈沖。該脈沖電壓會(huì)影響壓電材料的結(jié)構(gòu)，從而防止其變形。相反，材料現(xiàn)在將入射波反射回接收器，在那里它被感應(yīng)并解碼為 1。

當(dāng)我看到這篇論文時(shí)，我最初的想法是實(shí)際數(shù)據(jù)會(huì)非常緩慢，大約為幾比特/秒（這在許多傳感器應(yīng)用中仍然有用）。但在麻省理工學(xué)院大型水箱的測(cè)試中，（與海洋不同，但仍然是一個(gè)起點(diǎn)）他們實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 3 Kbps 的速率和高達(dá) 10 米的距離，這兩個(gè)都是可觀的成就。

“一旦你有辦法傳輸 1 和 0，你就可以發(fā)送任何信息，”共同作者 Fadel Adib 說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室和電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的助理教授，也是 Signal Kinetics 的創(chuàng)始主任。研究組?！盎旧?，我們可以僅根據(jù)我們正在收集其能量的傳入聲音信號(hào)與水下傳感器進(jìn)行通信?！?

在他們發(fā)表演講時(shí)，在 SIGGRAPH 2019（8 月舉行）期間，該團(tuán)隊(duì)尚未在海洋中部署該系統(tǒng)——這在許多電氣、電子和環(huán)境方面都是一個(gè)令人討厭的操作環(huán)境。甚至海洋的鹽度也從每升 35 克溶解鹽的典型值（約 3.5%，或千分之 35）變化到正常范圍為每升 33-37 克。也有明顯的更高或更低鹽度的水下“河流”流經(jīng)一個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致影響能量路徑的鹽度阻抗不連續(xù)性。

MIT 團(tuán)隊(duì)的高可讀性論文有一個(gè)令人耳目一新的短標(biāo)題“ Underwater Backscatter Networking ”，并獲得了會(huì)議的“最佳論文”獎(jiǎng)。它詳細(xì)介紹了他們部分由美國(guó)海軍研究辦公室贊助的工作；這里還有一個(gè)發(fā)布的視頻。