This paper is motivated by a simple question: Can we design and build battery-free devices capable of machine learning and inference in underwater environments? An affirmative answer to this question would have significant implications for a new generation of underwater sensing and monitoring applications for environmental monitoring, scientific exploration, and climate/weather prediction. To answer this question, we explore the feasibility of bridging advances from the past decade in two fields: battery-free networking and low-power machine learning. Our exploration demonstrates that it is indeed possible to enable battery-free inference in underwater environments. We designed a device that can harvest energy from underwater sound, power up an ultra-low-power microcontroller and on-board sensor, perform local inference on sensed measurements using a lightweight Deep Neural Network, and communicate the inference result via backscatter to a receiver. We tested our prototype in an emulated marine bioacoustics application, demonstrating the potential to recognize underwater animal sounds without batteries. Through this exploration, we highlight the challenges and opportunities for making underwater battery-free inference and machine learning ubiquitous.


翻译:本文的动机是一个简单的问题:我们能否设计和建造能够在水下环境中进行机器学习和推断的无电池装置?这一问题的肯定答案将会对新一代用于环境监测、科学探索和气候/天气预测的水下遥感和监测应用产生重要影响。为了回答这个问题,我们探索了连接过去十年在两个领域取得进展的可行性:无电池联网和低功率机器学习。我们的探索表明,在水下环境中进行无电池推断是可能的。我们设计了一个能够从水下声音中获取能源的装置,一个超低功率微控制器和机载传感器,利用一个轻量深神经网络对感测测量进行局部推论,并通过反射向接收器传播推论结果。我们在模拟海洋生物研究应用中测试了我们的原型,展示了在没有电池的情况下识别水下动物声音的潜力。我们通过这一探索,强调了使水下无电池推断和机器学习变得无处不在的挑战和机遇。

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