Para investigar los océanos enormemente inexplorados que cubren la mayor parte de nuestro planeta, Los investigadores apuntan a 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 diseñados para permanecer durante períodos prolongados 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 incluso tomar muestras de aguas en planetas distantes. 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, "ocurre cuando las vibraciones en ciertos materiales generan una carga eléctrica. La otra es" retrodispersión, "una técnica de comunicación comúnmente utilizada para etiquetas RFID, que transmite datos reflejando 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 ola golpea el sensor, el material vibra y almacena la carga eléctrica resultante. Luego, el sensor usa la energía almacenada para reflejar una onda hacia un receptor, o no la refleja en absoluto. La alternancia entre la reflexión de esa manera corresponde a los bits en los datos transmitidos:para una onda reflejada, el receptor decodifica un 1; para ninguna onda reflejada, el receptor decodifica un 0.

"Una vez que tenga una forma de transmitir 1 y 0, puedes enviar cualquier información, "dice el coautor Fadel Adib, profesor asistente en el MIT Media Lab y el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y director fundador del Grupo de Investigación de Cinética de Señal. "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 un grupo MIT, usándolo para recolectar medidas de temperatura y presión del agua. El sistema pudo transmitir 3 kilobytes por segundo de datos precisos de dos sensores simultáneamente a una distancia de 10 metros entre el sensor y el receptor.

Las aplicaciones van más allá de nuestro propio planeta. El sistema, Adib dice, 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 explorar la luna, muestreo de reservorios 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. "Los sensores que se comunican sin batería abren posibilidades de detección en entornos extremos".

Previniendo la deformación

La inspiración para el sistema apareció mientras Adib estaba viendo "Blue Planet, "una serie de documentales sobre la naturaleza que explora varios aspectos de la vida marina. Los océanos cubren alrededor del 72 por ciento de la superficie de la Tierra". Se me ocurrió lo poco que sabemos sobre el océano y cómo los 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 baterías por todo el océano, porque eso plantea problemas con la contaminación ".

Eso llevó a Adib a 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 coloca bajo el agua, ese efecto produce una onda de presión que viaja a través del agua. A menudo se utilizan para detectar vasos hundidos, pez, y otros objetos submarinos.

"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 de sensor se puede integrar en el nodo programando el microcontrolador. Un proyector acústico (transmisor) y un dispositivo de escucha subacuático, llamado hidrófono (receptor), se colocan a cierta distancia.

Digamos 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. Entonces, el receptor no ve ninguna señal reflejada y decodifica un 0.

Sin embargo, cuando el sensor quiere enviar un 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 manera que evita que se deforme, y en cambio refleja la ola. Sintiendo 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 conectado a enchufes en tierra. Un transmisor y un receptor pueden recopilar información de muchos sensores que cubren un área o muchas áreas.

"Cuando estás rastreando a un animal marino, por ejemplo, desea rastrearlo en un rango largo y desea mantener el sensor en ellos durante un largo período de tiempo. No querrás preocuparte de que se agote la batería, "Adib dice". O, si desea realizar un seguimiento de los gradientes de temperatura en el océano, puede obtener información de sensores que cubren varios lugares diferentes ".

Otra aplicación interesante es la monitorización de charcos de salmuera, grandes áreas de salmuera que se asientan en piscinas en cuencas oceánicas, y son difíciles de monitorear a largo plazo. Ellos existen, por ejemplo, en la plataforma antártica, donde la sal se deposita durante la formación del hielo marino, y podría ayudar a estudiar el derretimiento del hielo y la interacción de la vida marina con las piscinas. "Pudimos sentir lo que está pasando ahí abajo, sin necesidad de seguir cargando sensores cuando se agotan las baterías, "Dice Adib.

Próximo, 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.