基于数据链路扭曲的水下能量采集

我一向对于工程师开发各种创意的能量采集方法很感兴趣。当然，做这件事情有着许多动机——例如，能量采集有着像是可以“不劳而获”(something for nothing)的魅力。但现实是，这方面的开发工作通常必须付出大量的劳动力和成本。尽管如此，当电池或交流电(AC)无法供电的情况下，能量采集技术仍能提供电源以解决棘手的问题。

这正是美国麻省理工学院(MIT)研究团队近来的一项研究令人着迷之处。研究人员们不仅巧妙地利用压电材料的震动来采集能量，而且还密切结合了能量采集机制与数据传输链路。该研究团队结合了两种截然不同的现象——压电效应和反向散射，以提供适度的数据传输速率、免电池的水下传感器和数据链路，研究人员将其称为“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，通常与被动式RFID和其他系统搭配使用；它采用定向的撞击能量来激发、供电以及提供响应——通常是在电磁RF范围(如图1)。

图1：RF和压电声学反向散射(PAB)之间存在某种相似性：(a) 显示无线电反向散射如何透过控制天线阻抗开关而与0和1位进行通讯；(b) 显示PAB系统如何透过控制压电阻抗开关而与0和1位进行通讯。请注意，在吸收状态下，传感器可以采集能量。（来源：MIT）

在MIT研究团队的PAB系统中，发射器透过水将定向的声波(压力)发送到水下的压电传感器以及储存传感数据的电路¬¬——这些传感数据可能是水的温度、流量、盐度或其他参数。该浸没节点的电路板中安装有压电谐振器、能量采集单元和微控制器，如图2。当能量波撞击传感器时，压电材料产生振动并储存所产生的电荷——这就是能量采集周期的开始。接下来，传感器使用储存的能量将波反射回接收器或根本不反射波。以这种方式在反射之间交替，对应于传输数据中的位：接收器会将反射波视为1，无反射波则为0，因此可以译码串行数据串流。

图2：机械和硬件制造：(a) 显示采用免电池、模拟数字硬件设计的机械制造换能器；(b) 显示分解的换能器视图。（来源：MIT）

压电组件作为能量采集器和接收器/发送器之间的关系紧密地结合在一起。当传感器要发送0位时，发送器将其声波发送到节点。压电谐振器吸收该波并使其略微变形(重新定向)，从而产生了少量可储存的能量，待随后进行采集。由于压电组件吸收了撞击的能量，因此接收器未发现反射讯号而译码为0。

然而，当传感器要发送1位时，动作/反应会发生改变。发射器再次发送声能波。但是，微控制器使用储存的电荷向压电谐振器发送电压脉冲，脉冲电压会影响压电材料的结构，以防止其变形。相反地，这种材料现在将入射波反射回接收器，并在此被感应以及解碼为1。

当我看到这篇文章时，最初的想法是实际的数据传输将会非常缓慢，大约为几位/秒(但这在许多传感器应用中仍然很有用）。但是在图3的MIT大型储水箱中进行实验时(虽然并见得真的和海洋一样，但仍是个起点)，它们在传感器和接收器之间的传输，达到了高达3Kbps的速率以及长达10公尺(M)的距离，可说是十分可观的成果。

图3：该系统正在MIT的水下测试池中进行评估。（来源：MIT）

MIT媒体实验室(MIT media lab)以及该校电子工程与计算机科学系助理教授Fadel Adib说：“一旦您可以发送1和0，就能发送任何信息。基本上，我们可以仅根据传入的声音讯号与水下传感器进行通讯，这些声音讯号就是我们正在采集的能量。”Fadel Adib同时也是Signal Kinetics Research Group的创办人。

MIT的研究人员在SIGGRAPH 2019 (8月间举行)期间发表这项研究时，研究团队尚未将该系统部署于海洋中——海洋一直是让许多电气和电子领域伤脑筋的操作环境。甚至是海洋的盐度也与每公升35克溶解盐的典型值(约3.5%，即35ppm)不同，正常范围为每公升33-37克。也可能出现明显较高或较低盐度的水下“河流”流经某个区域，导致盐度阻抗不连续性，从而影响能量路径。

MIT研究团队的论文主题是《水下反向散射网络》(Underwater Backscatter Networking)，文中详细介绍了这项研究。该研究一部份是由美国海军研究办公室(U.S. Office of Naval Research)赞助，从以下视讯可以看到更多的介绍。

您认为哪一部份是您看过最有趣、最独特或不寻常的能量采集设计？

编译：Susan Hong  责编：Yvonne Geng

(参考原文：Underwater Energy Harvesting with a Data-Link Twist，by Bill Schweber)