Une gamme de transducteurs piézoélectriques permet une communique sous-marine longue distance et à faible consommation

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Generation (MIT) ont démontré le premier système de communique et de réseau sous-marin à très faible consommation, succesful de transmettre des signaux sur des distances allant jusqu’à un kilomètre.

Cette technologie, que les chercheurs ont commencé à développer il y a plusieurs années, utilise environ un millionième de l’énergie utilisée par les méthodes de communique sous-marines. En élargissant los angeles portée de communique de leur système sans batterie, les chercheurs ont rendu los angeles technologie plus appropriate à des programs telles que l’aquaculture, los angeles prévision des ouragans côtiers et los angeles modélisation du changement climatique.

“Ce qui a commencé comme une idée intellectuelle très excitante il y a quelques années – une communique sous-marine avec un million de fois moins de puissance – est désormais pratique et réaliste. Il reste encore des défis tactics intéressants à relever, mais il y a un chemin clair à partir duquel nous le sommes maintenant”, déclare Fadel Adeeb. “Maintenant pour e-newsletter”, professeur agrégé au Département de génie électrique et d’informatique et directeur du Sign Kinetics Team au MIT Media Lab.

L. a. rétrodiffusion sous-marine permet une communique à faible consommation en codant les données en ondes sonores qu’elles réfléchissent ou diffusent vers le récepteur. Ces inventions permettent de diriger plus précisément les signaux réfléchis vers leur supply.

En raison de cette « course arrière », moins de signaux sont diffusés dans les mauvaises instructions, ce qui permet une communique plus efficace et à plus longue portée.

Lorsqu’il a été testé dans une rivière et un océan, le routeur rétro a démontré une portée de connexion plus de 15 fois supérieure à celle des appareils précédents. Cependant, les expériences étaient limitées par los angeles longueur des trottoirs dont disposaient les chercheurs.

Pour mieux comprendre les limites de los angeles rétrodiffusion sous-marine, l’équipe a également développé un modèle analytique permettant de prédire los angeles portée maximale de los angeles technologie. Le modèle, validé à l’aide de données expérimentales, a montré que leur système de guidage rétrograde pouvait communiquer sur des distances allant jusqu’à un kilomètre.

Les chercheurs ont partagé ces résultats dans deux articles qui seront présentés aux conférences ACM SIGCOMM et MobiCom de cette année. Adeeb, auteur foremost des deux articles, est rejoint dans l’article SIGCOMM par les co-auteurs principaux Allen Eid, ancien chercheur postdoctoral qui est maintenant professeur adjoint à l’Université du Michigan, et Jack Rademacher, assistant de recherche ; Outre les assistants de recherche Walid Akbar et Borui Wang, ainsi que le chercheur postdoctoral Ahmed Allam. L’article de MobiCom a également été rédigé par les co-auteurs Akbar et Alam.

Conversation avec les ondes sonores

Les appareils de communique sous-marins à rétrodiffusion utilisent un ensemble de nœuds constitués de matériaux « piézoélectriques » pour recevoir et réfléchir les ondes sonores. Ces matériaux produisent un sign électrique lorsqu’une pressure mécanique leur est appliquée.

Lorsque les ondes sonores frappent les nœuds, ils vibrent et convertissent l’énergie mécanique en rate électrique. Les nœuds utilisent cette rate pour disperser une partie de l’énergie sonore vers los angeles supply, transmettant des données que le récepteur décode en fonction de los angeles séquence de réflexions.

Mais comme le sign rebondi se propage dans toutes les instructions, seule une petite partie atteint los angeles supply, ce qui réduit los angeles puissance du sign et limite los angeles portée de communique.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé un appareil radio vieux de 70 ans appelé réseau Van Atta, dans lequel des paires d’antennes identiques sont connectées de telle manière que le réseau réfléchit l’énergie dans los angeles course d’où elle vient.

Mais connecter des nœuds piézoélectriques pour créer une matrice de Van Atta réduit son efficacité. Les chercheurs ont évité ce problème en plaçant un commutateur entre des paires de nœuds connectés. Un convertisseur, qui transfère los angeles puissance électrique d’un circuit à un autre, permet aux nœuds de renvoyer los angeles puissance maximale à los angeles supply.

“Les deux nœuds reçoivent et les deux nœuds réfléchissent, c’est donc un système très intéressant”, explique Eid. “À mesure que vous augmentez le nombre d’éléments dans ce système, vous construisez un réseau qui vous permet d’atteindre des portées de communique beaucoup plus longues.”

De plus, ils ont utilisé une method appelée commutation de polarité croisée pour coder les données binaires dans le sign réfléchi. Chaque nœud a une borne certain et une borne négative (comme une batterie de voiture), donc lorsque les bornes positives de deux nœuds sont connectées et les bornes négatives de deux nœuds sont connectées, ce sign réfléchi est « un bit ».

Mais si les chercheurs inversaient los angeles polarité et que les bornes négatives et positives étaient connectées les unes aux autres, l’inversion serait de « zéro bit ».

“Il ne suffit pas de connecter les nœuds piézoélectriques ensemble. En changeant les polarités entre les deux nœuds, nous pouvons retransmettre les données au récepteur far away”, explique Rademacher.

Lors de los angeles building de los angeles matrice de Van Atta, les chercheurs ont découvert que si les nœuds connectés étaient trop proches, ils se bloqueraient mutuellement. Ils ont créé une nouvelle conception avec des nœuds superposés qui permettent aux signaux d’atteindre le réseau depuis n’importe quelle course. Avec cette conception évolutive, plus los angeles baie contient de nœuds, plus sa portée de communique est grande.

Ils ont testé le réseau dans plus de 1 500 essais expérimentaux dans los angeles rivière Charles à Cambridge, dans le Massachusetts, et dans l’océan Atlantique, au massive de Falmouth, dans le Massachusetts, en collaboration avec los angeles Woods Hollow Oceanographic Establishment. L’appareil a atteint une portée de communique allant jusqu’à 300 mètres, soit 15 fois plus longue que celle démontrée précédemment.

Cependant, ils ont dû écourter les essais en raison du manque d’espace sur los angeles plateforme.

Modélisation maximale

Cela a inspiré les chercheurs à construire un modèle analytique pour déterminer les limites théoriques et pratiques de connectivité de los angeles nouvelle technologie de rétrodiffusion sous-marine.

S’appuyant sur les travaux de leur groupe sur les dispositifs d’identity par radiofréquence (RFID), l’équipe a soigneusement formulé un modèle qui seize l’effet des paramètres du système, tels que los angeles taille des nœuds piézoélectriques et los angeles puissance d’entrée du sign, sur los angeles plage de fonctionnement sous-marine du dispositif.

“Il ne s’agit pas d’une technologie de communique traditionnelle, vous devez donc comprendre remark mesurer los angeles réflectance. Quels sont les rôles des différents composants dans ce processus ?” dit Akbar.

Par exemple, les chercheurs devaient dériver une fonction succesful de capturer los angeles quantité de sign réfléchi par un nœud piézoélectrique sous-marin d’une taille donnée, ce qui constituait l’un des plus grands défis du développement du modèle.

Ils ont utilisé ces idées pour créer un modèle plug-and-play dans lequel l’utilisateur peut saisir des informations telles que los angeles puissance d’entrée et les dimensions du nœud piézoélectrique et recevoir une sortie indiquant los angeles portée attendue du système.

Ils ont évalué le modèle sur los angeles base des données de leurs expériences expérimentales et ont découvert qu’il pouvait prédire avec précision l’amplitude des signaux acoustiques dirigés rétrogradement avec une erreur moyenne inférieure à un décibel.

À l’aide de ce modèle, ils ont montré qu’un réseau de rétrodiffusion sous-marine peut atteindre des portées de communique de 1 kilomètre.

“Nous inventons de nouvelles applied sciences océaniques et les poussons dans le domaine des choses que nous faisions pour le cellulaire 6G”, déclare Adeeb. “Pour nous, c’est très gratifiant automobile nous commençons maintenant à voir cela très proche de los angeles réalité.”

Les chercheurs prévoient de continuer à étudier les réseaux de diffusion sous-marine de Van Atta, éventuellement en utilisant des bateaux afin de pouvoir évaluer des portées de communique plus longues. En cours de path, ils ont l’purpose de publier des outils et des ensembles de données afin que d’autres chercheurs puissent s’appuyer sur leurs travaux. Dans le même temps, ils ont commencé à s’orienter vers los angeles commercialisation de cette technologie.

“L. a. portée limitée constitue un problème ouvert dans les réseaux de rétrodiffusion sous-marine, empêchant leur utilisation dans des programs réelles. Cet article constitue un pas en avant essential dans l’avenir des communications sous-marines, en leur permettant de fonctionner avec une puissance minimale tout en atteignant une longue portée.” » déclare Omid Abarri, professeur adjoint d’informatique à l’UCLA, qui n’a pas participé à ce travail.

“Cet article est le premier à introduire los angeles technologie du réseau de réflecteurs Van Atta dans les paramètres de rétrodiffusion sous-marine et à démontrer ses avantages dans l’amélioration de los angeles portée de communique de plusieurs ordres de grandeur. Cela pourrait rapprocher los angeles communique sous-marine sans batterie de los angeles réalité, permettant des programs telles que le changement sous-marin. surveillance Surveillance du climat et des côtes.

Cette histoire a été republiée grâce à MIT Information (internet.mit.edu/newsoffice/), un web site populaire couvrant l’actualité de los angeles recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.