혁신적인 배터리 프리 수중 센서, 음파 활용해 장기 해양 데이터 수집

매사추세츠 공과대학, 케임브리지

해양을 조사하기 위해 연구진은 데이터를 수면으로 전송하는 상호 연결된 수중 센서 네트워크 구축을 목표로 합니다. 장기간 수중에 머무르도록 설계된 수많은 센서에 지속적으로 전력을 공급하는 것이 주요 문제였습니다.

배터리 없는 수중 압전 센서가 음파를 흡수하거나 반사해 수신기로 데이터를 전송합니다. 반사파는 1비트, 흡수파는 0비트로 디코딩되며 동시에 에너지를 저장합니다. (이미지: 연구진 제공)

근제로 전력 통신 시스템으로 장기 해양 모니터링 가능

근제로 전력을 사용해 센서 데이터를 전송하는 배터리 없는 수중 통신 시스템이 개발되었습니다. 이 시스템은 기후 변화 연구를 위한 해수 온도 모니터링, 장기간 해양 생물 추적, 심지어 먼 행성의 물 샘플링에 사용될 수 있습니다.

두 가지 핵심 현상 활용: 압전 효과와 백산란 통신

시스템은 두 가지 핵심 현상을 활용합니다: 특정 물질에서 진동 시 전기적 전하가 발생하는 압전 효과, RFID 태그에 흔히 사용되는 백산란 통신 기술로 변조된 무선 신호를 태그에서 반사해 리더로 되돌려 데이터를 전송합니다.

음향파 반사/흡수로 1과 0 전송

송신기가 저장된 데이터를 가진 압전 센서를 향해 물속으로 음향파를 보냅니다. 파동이 센서에 닿으면 물질이 진동하며 결과적 전기 전하를 저장합니다. 센서는 저장된 에너지를 사용해 파동을 수신기로 반사하거나 전혀 반사하지 않습니다. 이 반사 여부 교체가 전송 데이터의 비트에 대응됩니다. 반사파면 수신기가 1로 디코딩, 반사파 없으면 0으로 디코딩. 1과 0 전송 방식을 확립하면 모든 정보를 보낼 수 있습니다.

시스템 핵심: 압전 공진기, 에너지 수확 장치, 마이크로컨트롤러 탑재 수중 노드

시스템 핵심은 수중 노드로, 압전 공진기, 에너지 수확 장치, 마이크로컨트롤러를 탑재한 회로 기판입니다. 어떤 유형의 센서든 마이크로컨트롤러 프로그래밍으로 노드에 통합 가능합니다. 음향 프로젝터(송신기)와 수중 청취 장치인 하이드로폰(수신기)이 일정 거리 떨어진 곳에 설치됩니다.

송수신기는 전력 필요하지만 선박/부표/육상 콘센트 연결 가능

송신기와 수신기는 전력이 필요하지만 배터리 교체가 쉬운 선박이나 부표에 설치하거나 육상 콘센트에 연결할 수 있습니다. 하나의 송신기와 수신기가 한 영역 또는 여러 영역을 커버하는 많은 센서로부터 정보를 수집할 수 있습니다.

해양 생물학, 기상학, 타이탄 지하 해양 탐사 등 응용 기대

응용 분야에는 해양 생물학, 해양학, 기상학, 또는 장기간 저인력 수중 감지가 필요한 기타 분야가 포함됩니다. 이 시스템은 토성의 가장 큰 위성 타이탄에서 최근 발견된 지하 해양 데이터 수집에도 사용될 수 있습니다. 6월 NASA는 2026년 드래곤플라이 미션으로 로버를 보내 달을 탐사하고 저수지 및 기타 장소 샘플링을 발표했습니다.

자세한 정보는 애비 아바조리우스(Abby Abazorius)에게 문의하세요. 이메일: [보호된 이메일]; 전화: 617-253-2709.