Para investigar os oceanos inexplorados que cobrem a maior parte do nosso planeta, os pesquisadores pretendem construir uma rede submersa de sensores interconectados que enviam dados para a superfície - uma "internet das coisas" subaquática. Mas como fornecer energia constante a dezenas de sensores projetados para permanecer por longos períodos nas profundezas do oceano?

Os pesquisadores do MIT têm uma resposta:um sistema de comunicação subaquático sem bateria que usa energia quase zero para transmitir dados do sensor. O sistema poderia ser usado para monitorar as temperaturas do mar para estudar as mudanças climáticas e rastrear a vida marinha por longos períodos - e até mesmo amostras de águas em planetas distantes. Eles estão apresentando o sistema na conferência SIGCOMM esta semana, em um artigo que ganhou o prêmio de "melhor artigo" da conferência.

O sistema faz uso de dois fenômenos principais. 1, chamado de "efeito piezoelétrico, "ocorre quando vibrações em certos materiais geram uma carga elétrica. A outra é" retroespalhamento, "uma técnica de comunicação comumente usada para etiquetas RFID, que transmite dados refletindo sinais sem fio modulados de uma etiqueta e de volta para um leitor.

No sistema dos pesquisadores, um transmissor envia ondas acústicas através da água em direção a um sensor piezoelétrico que armazenou dados. Quando a onda atinge o sensor, o material vibra e armazena a carga elétrica resultante. Em seguida, o sensor usa a energia armazenada para refletir uma onda de volta para um receptor - ou não reflete nenhuma. Alternar entre a reflexão dessa forma corresponde aos bits nos dados transmitidos:Para uma onda refletida, o receptor decodifica um 1; para nenhuma onda refletida, o receptor decodifica um 0.

"Assim que você tiver uma maneira de transmitir 1s e 0s, você pode enviar qualquer informação, "diz o co-autor Fadel Adib, professor assistente no MIT Media Lab e no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor fundador do Signal Kinetics Research Group. "Basicamente, podemos nos comunicar com sensores subaquáticos com base apenas nos sinais sonoros de entrada, cuja energia estamos colhendo. "

Os pesquisadores demonstraram seu sistema de retroespalhamento piezo-acústico em uma piscina do MIT, usando-o para coletar medições de temperatura e pressão da água. O sistema foi capaz de transmitir 3 kilobytes por segundo de dados precisos de dois sensores simultaneamente a uma distância de 10 metros entre o sensor e o receptor.

As aplicações vão além do nosso próprio planeta. O sistema, Adib diz, poderia ser usado para coletar dados no oceano subterrâneo recentemente descoberto na maior lua de Saturno, Titã. Em junho, A NASA anunciou a missão do Dragonfly para enviar um rover em 2026 para explorar a lua, amostragem de reservatórios de água e outros locais.

"Como você pode colocar um sensor sob a água em Titã que dura por longos períodos de tempo em um lugar que é difícil de obter energia?" diz Adib, que co-escreveu o artigo com o pesquisador do Media Lab JunSu Jang. "Sensores que se comunicam sem bateria abrem possibilidades de detecção em ambientes extremos."

Prevenindo deformação

A inspiração para o sistema atingiu enquanto Adib estava assistindo "Blue Planet, "uma série de documentários sobre a natureza que explora vários aspectos da vida marinha. Os oceanos cobrem cerca de 72 por cento da superfície da Terra." Ocorreu-me o quão pouco sabemos sobre o oceano e como os animais marinhos evoluem e procriam, ", diz ele. Os dispositivos da Internet das coisas (IoT) podem ajudar nessa pesquisa, "mas debaixo d'água você não pode usar sinais de Wi-Fi ou Bluetooth ... e você não quer colocar baterias em todo o oceano, porque isso levanta problemas com a poluição. "

Isso levou Adib a materiais piezoelétricos, que existem e são usados ​​em microfones e outros dispositivos há cerca de 150 anos. Eles produzem uma pequena voltagem em resposta às vibrações. Mas esse efeito também é reversível:a aplicação de tensão causa a deformação do material. Se colocado debaixo d'água, esse efeito produz uma onda de pressão que se propaga pela água. Eles são frequentemente usados ​​para detectar vasos afundados, peixe, e outros objetos subaquáticos.

"Essa reversibilidade é o que nos permite desenvolver uma tecnologia de comunicação de retroespalhamento subaquático muito poderosa, "Adib diz.

A comunicação depende de evitar que o ressonador piezoelétrico se deforme naturalmente em resposta à tensão. No coração do sistema está um nó submerso, uma placa de circuito que abriga um ressonador piezoelétrico, uma unidade de captação de energia, e um microcontrolador. Qualquer tipo de sensor pode ser integrado ao nó programando o microcontrolador. Um projetor acústico (transmissor) e dispositivo de escuta subaquático, chamado de hidrofone (receptor), são colocados a alguma distância.

Digamos que o sensor queira enviar um bit 0. Quando o transmissor envia sua onda acústica no nó, o ressonador piezoelétrico absorve a onda e se deforma naturalmente, e o coletor de energia armazena um pouco de carga das vibrações resultantes. O receptor então não vê nenhum sinal refletido e decodifica um 0.

Contudo, quando o sensor quer enviar 1 bit, a natureza muda. Quando o transmissor envia uma onda, o microcontrolador usa a carga armazenada para enviar um pouco de voltagem ao ressonador piezoelétrico. Essa tensão reorienta a estrutura do material de uma forma que impede que ele se deforme, e, em vez disso, reflete a onda. Sentindo uma onda refletida, o receptor decodifica um 1.

Detecção de mar profundo de longo prazo

O transmissor e o receptor devem ter energia, mas podem ser plantados em navios ou bóias, onde as baterias são mais fáceis de substituir, ou conectado a tomadas em terra. Um transmissor e um receptor podem coletar informações de muitos sensores cobrindo uma área ou várias áreas.

"Quando você está rastreando um animal marinho, por exemplo, você deseja rastreá-lo por um longo alcance e deseja manter o sensor neles por um longo período de tempo. Você não quer se preocupar com a bateria acabando, "Adib diz." Ou, se você quiser rastrear gradientes de temperatura no oceano, você pode obter informações de sensores que cobrem vários lugares diferentes. "

Outra aplicação interessante é o monitoramento de piscinas de salmoura, grandes áreas de salmoura que ficam em piscinas nas bacias oceânicas, e são difíceis de monitorar a longo prazo. Eles existem, por exemplo, na plataforma antártica, onde o sal se estabelece durante a formação do gelo marinho, e poderia ajudar no estudo do derretimento do gelo e da interação da vida marinha com as piscinas. "Pudemos sentir o que está acontecendo lá embaixo, sem a necessidade de manter o içamento dos sensores quando suas baterias acabam, "Adib diz.

Próximo, os pesquisadores pretendem demonstrar que o sistema pode funcionar a distâncias maiores e se comunicar com mais sensores simultaneamente. Eles também esperam testar se o sistema pode transmitir som e imagens de baixa resolução.