我一向對於工程師開發各種創意的能量採集方法很感興趣。當然,做這件事情有著許多動機——例如,能量採集有著像是可以「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力和成本。儘管如此,當電池或交流電(AC)無法供電的情況下,能量採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採集能量,而且還密切結合了能量採集機制與資料傳輸鏈路。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,以提供適度的資料傳輸速率、免電池的水下感測器和資料鏈路,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;它採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範圍(如圖1)。

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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位元進行通訊;(b) 顯示PAB系統如何透過控制壓電阻抗開關而與0和1位元進行通訊。請注意,在吸收狀態下,感測器可以採集能量。(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)發送到水下的壓電感測器以及儲存感測資料的電路¬¬——這些感測資料可能是水的溫度、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、能量採集單元和微控制器,如圖2。當能量波撞擊感測器時,壓電材料產生振動並儲存所產生的電荷——這就是能量採集週期的開始。接下來,感測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,對應於傳輸資料中的位元:接收器會將反射波視為1,無反射波則為0,因此可以解碼串列資料串流。

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圖2:機械和硬體製造:(a) 顯示採用免電池、類比數位硬體設計的機械製造換能器;(b) 顯示分解的換能器視圖。(來源:MIT)

壓電元件作為能量採集器和接收器/發送器之間的關係緊密地結合在一起。當感測器要發送0位元時,發送器將其聲波發送到節點。壓電諧振器吸收該波並使其略微變形(重新定向),從而產生了少量可儲存的能量,待隨後進行採集。由於壓電元件吸收了撞擊的能量,因此接收器未發現反射訊號而解碼為0。

然而,當感測器要發送1位元時,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衝,脈衝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,並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,大約為幾位元/秒(但這在許多感測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(雖然並見得真的和海洋一樣,但仍是個起點),它們在感測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。

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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電腦科學系助理教授Fadel Adib說:「一旦您可以發送1和0,就能發送任何資訊。基本上,我們可以僅根據傳入的聲音訊號與水下感測器進行通訊,這些聲音訊號就是我們正在採集的能量。」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於海洋中——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,正常範圍為每公升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。

MIT研究團隊的論文主題是《水下反向散射網路》(Underwater Backscatter Networking),文中詳細介紹了這項研究。該研究一部份是由美國海軍研究辦公室(U.S. Office of Naval Research)贊助,從以下視訊可以看到更多的介紹。

您認為哪一部份是您看過最有趣、最獨特或不尋常的能量採集設計?

編譯:Susan Hong

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