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

這就是為什么麻省理工學(xué)院的一個團隊最近的一項研究令人著迷。研究人員不僅使用巧妙的“扭曲”來收集能量，而且還將收集方案與數(shù)據(jù)報告本身緊密結(jié)合在一起。該團隊結(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)，通常與無源 RFID 和其他系統(tǒng)一起使用。它使用定向沖擊能量來刺激、驅(qū)動和提供響應(yīng)，通常在電磁射頻領(lǐng)域。

在麻省理工學(xué)院團隊的 PAB 系統(tǒng)中，發(fā)射器通過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)。這個水下節(jié)點有一個電路板，其中包含一個壓電諧振器、一個能量收集單元和一個微控制器，圖 2。當(dāng)這種能量波撞擊傳感器時，壓電材料會振動并儲存產(chǎn)生的電荷——這就是能量收集周期的開始。接下來，傳感器使用存儲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，因此可以對串行數(shù)據(jù)流進行解碼。

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，發(fā)送器將其聲波發(fā)送到節(jié)點。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并解碼為 0。

但是，當(dāng)傳感器想要發(fā)送 1 位時，動作/反應(yīng)會發(fā)生變化。同樣，發(fā)射器發(fā)送聲能波。但現(xiàn)在，微控制器使用存儲的電荷向壓電諧振器發(fā)送電壓脈沖。該脈沖電壓會影響壓電材料的結(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，我最初的想法是實際數(shù)據(jù)會非常緩慢，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)院大型水箱的測試中，（與海洋不同，但仍然是一個起點）他們實現(xiàn)了高達 3 Kbps 的速率和高達 10 米的距離，這兩個都是可觀的成就。

“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，他是麻省理工學(xué)院媒體實驗室和電氣工程與計算機科學(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與水下傳感器進行通信?！?

在他們發(fā)表演講時，在 SIGGRAPH 2019（8 月舉行）期間，該團隊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)一個區(qū)域，導(dǎo)致影響能量路徑的鹽度阻抗不連續(xù)性。

MIT 團隊的高可讀性論文有一個令人耳目一新的短標題“ Underwater Backscatter Networking ”，并獲得了會議的“最佳論文”獎。它詳細介紹了他們部分由美國海軍研究辦公室贊助的工作；這里還有一個發(fā)布的視頻。