Para investigar los océanos enormemente inexplorados que cubren la mayor parte de nuestro planeta, los investigadores tienen como objetivo construir una red sumergida de sensores interconectados que envíen datos a la superficie, un "Internet de las cosas" submarino. Pero cómo suministrar energía constante a decenas de sensores diseñadospermanecer durante mucho tiempo en las profundidades del océano?
Los investigadores del MIT tienen una respuesta: un sistema de comunicación subacuático sin batería que utiliza energía casi nula para transmitir datos de sensores. El sistema podría usarse para monitorear la temperatura del mar para estudiar el cambio climático y rastrear la vida marina durante largos períodos, e inclusomuestrea aguas en planetas distantes. Ellos están presentando el sistema en la conferencia SIGCOMM de esta semana, en un artículo que ganó el premio al "mejor artículo" de la conferencia.
El sistema utiliza dos fenómenos clave. Uno, llamado "efecto piezoeléctrico", se produce cuando las vibraciones en ciertos materiales generan una carga eléctrica. El otro es la "retrodispersión", una técnica de comunicación comúnmente utilizada para etiquetas RFID, que transmite datosreflejando señales inalámbricas moduladas de una etiqueta y de regreso a un lector.
En el sistema de los investigadores, un transmisor envía ondas acústicas a través del agua hacia un sensor piezoeléctrico que tiene datos almacenados. Cuando la onda golpea el sensor, el material vibra y almacena la carga eléctrica resultante. Luego, el sensor usa la energía almacenada para reflejaruna onda de regreso a un receptor, o no refleja una en absoluto. Alternar entre la reflexión de esa manera corresponde a los bits en los datos transmitidos: para una onda reflejada, el receptor decodifica un 1; para una onda no reflejada, elreceptor decodifica un 0.
"Una vez que tenga una forma de transmitir 1 y 0, puede enviar cualquier información", dice el coautor Fadel Adib, profesor asistente en el MIT Media Lab y el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director fundador de laSignal Kinetics Research Group. "Básicamente, podemos comunicarnos con sensores submarinos basándonos únicamente en las señales de sonido entrantes cuya energía estamos recolectando".
Los investigadores demostraron su sistema de retrodispersión piezoacústica en una piscina del MIT, usándolo para recolectar medidas de temperatura y presión del agua. El sistema fue capaz de transmitir 3 kilobytes por segundo de datos precisos de dos sensores simultáneamente a una distancia de 10 metros entresensor y receptor.
Las aplicaciones van más allá de nuestro propio planeta. El sistema, dice Adib, podría usarse para recopilar datos en el océano subterráneo recientemente descubierto en la luna más grande de Saturno, Titán. En junio, la NASA anunció la misión Dragonfly para enviar un rover en 2026 para explorarla luna, muestreo de depósitos de agua y otros sitios.
"¿Cómo se puede poner un sensor debajo del agua en Titán que dure largos períodos de tiempo en un lugar donde es difícil obtener energía?", Dice Adib, quien coescribió el artículo con el investigador de Media Lab, JunSu Jang. "Sensores quecomunicarse sin batería abre posibilidades de detección en entornos extremos ".
Prevención de deformaciones
La inspiración para el sistema llegó mientras Adib miraba "Blue Planet", una serie de documentales sobre la naturaleza que explora varios aspectos de la vida marina. Los océanos cubren aproximadamente el 72 por ciento de la superficie de la Tierra. "Se me ocurrió lo poco que sabemos sobre el océano y cómolos animales marinos evolucionan y procrean ", dice. Los dispositivos de Internet de las cosas IoT podrían ayudar a esa investigación," pero bajo el agua no puedes usar señales de Wi-Fi o Bluetooth ... y no quieres poner bateríasen todo el océano, porque eso plantea problemas de contaminación ".
Eso llevó a Adib a los materiales piezoeléctricos, que han existido y se han utilizado en micrófonos y otros dispositivos durante aproximadamente 150 años. Producen un pequeño voltaje en respuesta a las vibraciones. Pero ese efecto también es reversible: la aplicación de voltaje hace que el material se deforme.Si se colocan bajo el agua, ese efecto produce una onda de presión que viaja a través del agua. A menudo se usan para detectar barcos hundidos, peces y otros objetos bajo el agua.
"Esa reversibilidad es lo que nos permite desarrollar una tecnología de comunicación de retrodispersión submarina muy poderosa", dice Adib.
La comunicación se basa en evitar que el resonador piezoeléctrico se deforme naturalmente en respuesta a la tensión. En el corazón del sistema hay un nodo sumergido, una placa de circuito que alberga un resonador piezoeléctrico, una unidad de recolección de energía y un microcontrolador. Cualquier tipo deEl sensor se puede integrar en el nodo programando el microcontrolador. Un proyector acústico transmisor y un dispositivo de escucha bajo el agua, llamado hidrófono receptor, se colocan a cierta distancia.
Supongamos que el sensor quiere enviar un bit 0. Cuando el transmisor envía su onda acústica al nodo, el resonador piezoeléctrico absorbe la onda y se deforma naturalmente, y el recolector de energía almacena un poco de carga de las vibraciones resultantes. El receptor luego vesin señal reflejada y decodifica un 0.
Sin embargo, cuando el sensor quiere enviar 1 bit, la naturaleza cambia. Cuando el transmisor envía una onda, el microcontrolador usa la carga almacenada para enviar un poco de voltaje al resonador piezoeléctrico. Ese voltaje reorienta la estructura del material de una maneraque evita que se deforme y, en cambio, refleja la onda. Al detectar una onda reflejada, el receptor decodifica un 1.
detección de aguas profundas a largo plazo
El transmisor y el receptor deben tener energía, pero pueden instalarse en barcos o boyas, donde las baterías son más fáciles de reemplazar, o conectarse a tomas en tierra. Un transmisor y un receptor pueden recopilar información de muchos sensores que cubren un área o muchas áreas.
"Cuando está rastreando un animal marino, por ejemplo, desea rastrearlo en un rango largo y desea mantener el sensor en él durante un largo período de tiempo. No debe preocuparse por la batería funcionando", dice Adib." O, si desea realizar un seguimiento de los gradientes de temperatura en el océano, puede obtener información de los sensores que cubren varios lugares diferentes ".
Otra aplicación interesante es el monitoreo de charcos de salmuera, grandes áreas de salmuera que se encuentran en charcos en las cuencas oceánicas, y son difíciles de monitorear a largo plazo. Existen, por ejemplo, en la plataforma antártica, donde la sal se deposita durante la formación del marhielo, y podría ayudar a estudiar el hielo que se derrite y la interacción de la vida marina con las piscinas. "Podríamos sentir lo que está sucediendo allí, sin necesidad de seguir levantando sensores cuando se agotan las baterías", dice Adib.
A continuación, los investigadores tienen como objetivo demostrar que el sistema puede funcionar a distancias más lejanas y comunicarse con más sensores simultáneamente. También esperan probar si el sistema puede transmitir sonido e imágenes de baja resolución.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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