發布日期：2022-05-20 點擊率：55
能量采集有著像是可以“不勞而獲”(something for nothing)的魅力。但現實是，這方面的開發工作通常必須付出大量的勞動力和成本。盡管如此，當電池或交流電(AC)無法供電的情況下，能量采集技術仍能提供電源以解決棘手的問題。
這正是美國麻省理工學院(MIT)研究團隊近來的一項研究令人著迷之處。研究人員們不僅巧妙地利用壓電材料的震動來采集能量，而且還密切結合了能量采集機制與數據傳輸鏈路。該研究團隊結合了兩種截然不同的現象——壓電效應和反向散射，以提供適度的數據傳輸速率、免電池的水下傳感器和數據鏈路，研究人員將其稱為“壓電聲學反向散射”(PAB)系統。反向散射本身是一種眾所周知的技術，通常與被動式RFID和其他系統搭配使用;它采用定向的撞擊能量來激發、供電以及提供響應——通常是在電磁RF范圍(如圖1)。
圖1：RF和壓電聲學反向散射(PAB)之間存在某種相似性：(a) 顯示無線電反向散射如何透過控制天線阻抗開關而與0和1位進行通訊;(b) 顯示PAB系統如何透過控制壓電阻抗開關而與0和1位進行通訊。請注意，在吸收狀態下，傳感器可以采集能量。(來源：MIT)
在MIT研究團隊的PAB系統中，發射器透過水將定向的聲波(壓力)發送到水下的壓電傳感器以及儲存傳感數據的電路??——這些傳感數據可能是水的溫度、流量、鹽度或其他參數。該浸沒節點的電路板中安裝有壓電諧振器、能量采集單元和微控制器，如圖2。當能量波撞擊傳感器時，壓電材料產生振動并儲存所產生的電荷——這就是能量采集周期的開始。接下來，傳感器使用儲存的能量將波反射回接收器或根本不反射波。以這種方式在反射之間交替，對應于傳輸數據中的位：接收器會將反射波視為1，無反射波則為0，因此可以譯碼串行數據串流。
圖2：機械和硬件制造：(a) 顯示采用免電池、模擬數字硬件設計的機械制造換能器;(b) 顯示分解的換能器視圖。(來源：MIT)
壓電組件作為能量采集器和接收器/發送器之間的關系緊密地結合在一起。當傳感器要發送0位時，發送器將其聲波發送到節點。壓電諧振器吸收該波并使其略微變形(重新定向)，從而產生了少量可儲存的能量，待隨后進行采集。由于壓電組件吸收了撞擊的能量，因此接收器未發現反射訊號而譯碼為0。
然而，當傳感器要發送1位時，動作/反應會發生改變。發射器再次發送聲能波。但是，微控制器使用儲存的電荷向壓電諧振器發送電壓脈沖，脈沖電壓會影響壓電材料的結構，以防止其變形。相反地，這種材料現在將入射波反射回接收器，并在此被感應以及解碼為1。
當我看到這篇文章時，最初的想法是實際的數據傳輸將會非常緩慢，大約為幾位/秒(但這在許多傳感器應用中仍然很有用)。但是在圖3的MIT大型儲水箱中進行實驗時(雖然并見得真的和海洋一樣，但仍是個起點)，它們在傳感器和接收器之間的傳輸，達到了高達3Kbps的速率以及長達10公尺(M)的距離，可說是十分可觀的成果。
圖3：該系統正在MIT的水下測試池中進行評估。(來源：MIT)
MIT媒體實驗室(MIT media lab)以及該校電子工程與計算機科學系助理教授Fadel Adib說：“一旦您可以發送1和0，就能發送任何信息。基本上，我們可以僅根據傳入的聲音訊號與水下傳感器進行通訊，這些聲音訊號就是我們正在采集的能量。”Fadel Adib同時也是Signal Kinetics Research Group的創辦人。
MIT的研究人員在SIGGRAPH 2019 (8月間舉行)期間發表這項研究時，研究團隊尚未將該系統部署于海洋中——海洋一直是讓許多電氣和電子領域傷腦筋的操作環境。甚至是海洋的鹽度也與每公升35克溶解鹽的典型值(約3.5%，即35ppm)不同，正常范圍為每公升33-37克。也可能出現明顯較高或較低鹽度的水下“河流”流經某個區域，導致鹽度阻抗不連續性，從而影響能量路徑。
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