Per indagare sugli oceani ampiamente inesplorati che coprono la maggior parte del nostro pianeta, i ricercatori mirano a costruire una rete sommersa di sensori interconnessi che inviano dati alla superficie, un "Internet delle cose" sottomarino. Ma come fornire energia costante a decine di sensori progettati per rimanere per lunghi periodi nelle profondità dell'oceano?

I ricercatori del MIT hanno una risposta:un sistema di comunicazione subacqueo senza batteria che utilizza una potenza quasi zero per trasmettere i dati dei sensori. Il sistema potrebbe essere utilizzato per monitorare le temperature del mare per studiare i cambiamenti climatici e monitorare la vita marina per lunghi periodi e persino campionare acque su pianeti lontani. Presentano il sistema alla conferenza SIGCOMM di questa settimana, in un documento che ha vinto il premio "best paper" della conferenza.

Il sistema si avvale di due fenomeni chiave. Uno, chiamato "effetto piezoelettrico, " si verifica quando le vibrazioni in alcuni materiali generano una carica elettrica. L'altro è "backscatter, " una tecnica di comunicazione comunemente usata per i tag RFID, che trasmette i dati riflettendo i segnali wireless modulati da un tag e di nuovo a un lettore.

Nel sistema dei ricercatori, un trasmettitore invia onde acustiche attraverso l'acqua verso un sensore piezoelettrico che ha memorizzato i dati. Quando l'onda colpisce il sensore, il materiale vibra e immagazzina la carica elettrica risultante. Quindi il sensore utilizza l'energia immagazzinata per riflettere un'onda verso un ricevitore, oppure non ne riflette affatto. L'alternanza tra riflessione in questo modo corrisponde ai bit nei dati trasmessi:Per un'onda riflessa, il ricevitore decodifica un 1; per nessuna onda riflessa, il ricevitore decodifica uno 0.

"Una volta che hai un modo per trasmettere 1 e 0, puoi inviare qualsiasi informazione, " dice il co-autore Fadel Adib, un assistente professore presso il MIT Media Lab e il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e direttore fondatore del Signal Kinetics Research Group. "Fondamentalmente, possiamo comunicare con sensori subacquei basandoci esclusivamente sui segnali sonori in arrivo di cui stiamo raccogliendo l'energia."

I ricercatori hanno dimostrato il loro sistema di retrodiffusione piezo-acustico in un pool del MIT, utilizzandolo per raccogliere le misurazioni della temperatura e della pressione dell'acqua. Il sistema è stato in grado di trasmettere 3 kilobyte al secondo di dati precisi da due sensori contemporaneamente a una distanza di 10 metri tra sensore e ricevitore.

Le applicazioni vanno oltre il nostro pianeta. Il sistema, Adib dice, potrebbe essere utilizzato per raccogliere dati nell'oceano sotterraneo recentemente scoperto sulla luna più grande di Saturno, Titano. Nel mese di giugno, La NASA ha annunciato la missione Dragonfly per inviare un rover nel 2026 per esplorare la luna, campionatura di bacini idrici e altri siti.

"Come puoi mettere un sensore sott'acqua su Titano che duri per lunghi periodi di tempo in un luogo in cui è difficile ottenere energia?" dice Adib, che ha co-scritto il documento con il ricercatore di Media Lab JunSu Jang. "I sensori che comunicano senza batteria aprono possibilità di rilevamento in ambienti estremi".

Prevenire la deformazione

L'ispirazione per il sistema ha colpito mentre Adib stava guardando "Blue Planet, " una serie di documentari sulla natura che esplorano vari aspetti della vita marina. Gli oceani coprono circa il 72% della superficie terrestre. "Mi è venuto in mente quanto poco sappiamo dell'oceano e di come gli animali marini si evolvono e si riproducono, " dice. I dispositivi Internet of Things (IoT) potrebbero aiutare questa ricerca, "ma sott'acqua non puoi usare i segnali Wi-Fi o Bluetooth ... e non vuoi mettere le batterie in tutto l'oceano, perché questo solleva problemi di inquinamento".

Ciò ha portato Adib ai materiali piezoelettrici, che esistono e vengono utilizzati in microfoni e altri dispositivi da circa 150 anni. Producono una piccola tensione in risposta alle vibrazioni. Ma questo effetto è anche reversibile:l'applicazione di tensione provoca la deformazione del materiale. Se collocato sott'acqua, quell'effetto produce un'onda di pressione che viaggia attraverso l'acqua. Sono spesso usati per rilevare navi affondate, pesce, e altri oggetti subacquei.

"Questa reversibilità è ciò che ci consente di sviluppare una tecnologia di comunicazione a retrodiffusione subacquea molto potente, "dice Adib.

La comunicazione si basa sulla prevenzione della deformazione naturale del risonatore piezoelettrico in risposta allo sforzo. Al centro del sistema c'è un nodo sommerso, un circuito che ospita un risonatore piezoelettrico, un'unità per la raccolta di energia, e un microcontrollore. Qualsiasi tipo di sensore può essere integrato nel nodo programmando il microcontrollore. Un proiettore acustico (trasmettitore) e un dispositivo di ascolto subacqueo, chiamato idrofono (ricevitore), sono posti a una certa distanza.

Supponiamo che il sensore voglia inviare un bit 0. Quando il trasmettitore invia la sua onda acustica al nodo, il risonatore piezoelettrico assorbe l'onda e si deforma naturalmente, e il raccoglitore di energia immagazzina una piccola carica dalle vibrazioni risultanti. Il ricevitore quindi non vede alcun segnale riflesso e decodifica uno 0.

Però, quando il sensore vuole inviare un 1 bit, la natura cambia. Quando il trasmettitore invia un'onda, il microcontrollore utilizza la carica immagazzinata per inviare una piccola tensione al risonatore piezoelettrico. Quella tensione riorienta la struttura del materiale in modo da impedirne la deformazione, e invece riflette l'onda. Percependo un'onda riflessa, il ricevitore decodifica un 1.

Rilevamento a lungo termine in acque profonde

Il trasmettitore e il ricevitore devono essere alimentati ma possono essere installati su navi o boe, dove le batterie sono più facili da sostituire, o collegato a prese a terra. Un trasmettitore e un ricevitore possono raccogliere informazioni da molti sensori che coprono una o più aree.

"Quando insegui un animale marino, ad esempio, vuoi seguirlo su un lungo raggio e vuoi tenere il sensore su di loro per un lungo periodo di tempo. Non vuoi preoccuparti che la batteria si scarichi, " dice Adib. "Oppure, se vuoi monitorare i gradienti di temperatura nell'oceano, puoi ottenere informazioni da sensori che coprono un numero di luoghi diversi."

Un'altra applicazione interessante è il monitoraggio delle vasche di salamoia, grandi aree di salamoia che si trovano in piscine in bacini oceanici, e sono difficili da monitorare a lungo termine. Loro esistono, ad esempio, sulla piattaforma antartica, dove il sale si deposita durante la formazione del ghiaccio marino, e potrebbe aiutare nello studio del ghiaccio che si scioglie e dell'interazione della vita marina con le piscine. "Potevamo sentire cosa sta succedendo laggiù, senza dover continuare a sollevare i sensori quando le batterie si esauriscono, "dice Adib.

Prossimo, i ricercatori mirano a dimostrare che il sistema può funzionare a distanze maggiori e comunicare con più sensori contemporaneamente. Sperano anche di testare se il sistema può trasmettere suoni e immagini a bassa risoluzione.