Pour étudier les océans largement inexplorés qui recouvrent la majeure partie de notre planète, les chercheurs visent à construire un réseau submergé de capteurs interconnectés qui envoient des données à la surface – un « internet des objets » sous-marin. Mais comment fournir une alimentation constante à des dizaines de capteurs conçus pour rester longtemps dans les profondeurs de l'océan ?

Les chercheurs du MIT ont une réponse :un système de communication sous-marine sans batterie qui utilise une alimentation proche de zéro pour transmettre les données des capteurs. Le système pourrait être utilisé pour surveiller les températures de la mer, étudier le changement climatique et suivre la vie marine sur de longues périodes, et même échantillonner les eaux de planètes lointaines. Ils présentent le système à la conférence SIGCOMM cette semaine, dans un article qui a remporté le prix du "meilleur article" de la conférence.

Le système utilise deux phénomènes clés. Une, appelé « effet piézoélectrique, " se produit lorsque les vibrations de certains matériaux génèrent une charge électrique. L'autre est la " rétrodiffusion, " une technique de communication couramment utilisée pour les tags RFID, qui transmet des données en réfléchissant les signaux sans fil modulés sur une étiquette et en retour vers un lecteur.

Dans le système des chercheurs, un émetteur envoie des ondes acoustiques à travers l'eau vers un capteur piézoélectrique qui a stocké des données. Lorsque la vague frappe le capteur, le matériau vibre et emmagasine la charge électrique qui en résulte. Ensuite, le capteur utilise l'énergie stockée pour réfléchir une onde vers un récepteur, ou il n'en réfléchit pas du tout. Cette alternance de réflexion correspond aux bits des données transmises :Pour une onde réfléchie, le récepteur décode un 1; pour aucune onde réfléchie, le récepteur décode un 0.

"Une fois que vous avez un moyen de transmettre des 1 et des 0, vous pouvez envoyer n'importe quelle information, " dit le co-auteur Fadel Adib, professeur adjoint au MIT Media Lab et au Département de génie électrique et d'informatique et directeur fondateur du Signal Kinetics Research Group. "Essentiellement, nous pouvons communiquer avec des capteurs sous-marins basés uniquement sur les signaux sonores entrants dont nous récoltons l'énergie."

Les chercheurs ont démontré leur système de rétrodiffusion piézo-acoustique dans une piscine du MIT, l'utiliser pour recueillir des mesures de température et de pression de l'eau. Le système a pu transmettre 3 kilo-octets par seconde de données précises à partir de deux capteurs simultanément à une distance de 10 mètres entre le capteur et le récepteur.

Les applications vont au-delà de notre propre planète. Le système, Adib dit, pourrait être utilisé pour collecter des données dans l'océan souterrain récemment découvert sur la plus grande lune de Saturne, Titan. En juin, La NASA a annoncé la mission Dragonfly d'envoyer un rover en 2026 pour explorer la lune, échantillonnage de réservoirs d'eau et d'autres sites.

"Comment pouvez-vous mettre un capteur sous l'eau sur Titan qui dure de longues périodes de temps dans un endroit difficile à obtenir de l'énergie?" dit Adib, qui a co-écrit l'article avec le chercheur de Media Lab JunSu Jang. "Les capteurs qui communiquent sans batterie ouvrent des possibilités de détection dans des environnements extrêmes."

Prévention de la déformation

L'inspiration pour le système a frappé pendant qu'Adib regardait "Blue Planet, " une série documentaire sur la nature explorant divers aspects de la vie marine. Les océans couvrent environ 72 pour cent de la surface de la Terre. ", dit-il. Les appareils Internet des objets (IoT) pourraient aider cette recherche, "mais sous l'eau, vous ne pouvez pas utiliser les signaux Wi-Fi ou Bluetooth … et vous ne voulez pas mettre des piles partout dans l'océan, car cela pose des problèmes de pollution.

Cela a conduit Adib aux matériaux piézoélectriques, qui existent et sont utilisés dans les microphones et autres appareils depuis environ 150 ans. Ils produisent une petite tension en réponse aux vibrations. Mais cet effet est également réversible :l'application d'une tension provoque la déformation du matériau. S'il est placé sous l'eau, cet effet produit une onde de pression qui traverse l'eau. Ils sont souvent utilisés pour détecter les navires coulés, poisson, et d'autres objets sous-marins.

"C'est cette réversibilité qui nous permet de développer une technologie de communication sous-marine par rétrodiffusion très puissante, " dit Adib.

La communication consiste à empêcher le résonateur piézoélectrique de se déformer naturellement en réponse à une contrainte. Au cœur du système se trouve un nœud immergé, un circuit imprimé qui abrite un résonateur piézoélectrique, une unité de récupération d'énergie, et un microcontrôleur. Tout type de capteur peut être intégré au nœud en programmant le microcontrôleur. Un projecteur acoustique (émetteur) et dispositif d'écoute sous-marine, appelé hydrophone (récepteur), sont placés à une certaine distance.

Disons que le capteur veut envoyer un bit 0. Lorsque l'émetteur envoie son onde acoustique au nœud, le résonateur piézoélectrique absorbe l'onde et se déforme naturellement, et le collecteur d'énergie stocke une petite charge des vibrations résultantes. Le récepteur ne voit alors aucun signal réfléchi et décode un 0.

Cependant, quand le capteur veut envoyer un 1 bit, la nature change. Lorsque l'émetteur envoie une onde, le microcontrôleur utilise la charge stockée pour envoyer une petite tension au résonateur piézoélectrique. Cette tension réoriente la structure du matériau de manière à l'empêcher de se déformer, et reflète plutôt la vague. Sentant une onde réfléchie, le récepteur décode un 1.

Détection à long terme des grands fonds

L'émetteur et le récepteur doivent être alimentés mais peuvent être implantés sur des navires ou des bouées, où les batteries sont plus faciles à remplacer, ou connecté à des prises à terre. Un émetteur et un récepteur peuvent recueillir des informations à partir de nombreux capteurs couvrant une ou plusieurs zones.

"Lorsque vous traquez un animal marin, par exemple, vous voulez le suivre sur une longue distance et voulez garder le capteur dessus pendant une longue période de temps. Vous ne voulez pas vous soucier de l'épuisement de la batterie, " Adib dit. " Ou, si vous voulez suivre les gradients de température dans l'océan, vous pouvez obtenir des informations à partir de capteurs couvrant un certain nombre d'endroits différents."

Une autre application intéressante est la surveillance des bassins de saumure, de grandes zones de saumure qui reposent dans des piscines dans des bassins océaniques, et sont difficiles à surveiller à long terme. Ils existent, par exemple, sur le plateau antarctique, où le sel se dépose lors de la formation de la banquise, et pourrait aider à étudier la fonte des glaces et l'interaction de la vie marine avec les bassins. "Nous pouvions sentir ce qui se passait là-bas, sans avoir besoin de continuer à transporter les capteurs lorsque leurs batteries sont épuisées, " dit Adib.

Prochain, les chercheurs visent à démontrer que le système peut fonctionner à des distances plus éloignées et communiquer avec plus de capteurs simultanément. Ils espèrent également tester si le système peut transmettre du son et des images à basse résolution.