Стремительное развитие нанотехнологий меняет все. И умная пыль представляет собой новый шаг в развитии крошечных микросхем.
Эта умная пыль представляет собой беспроводные сети крошечных электрических схем, способных автономно считывать, собирать и передавать данные об окружающей среде. Разработка этой технологии ведется с конца 90-х годов прошлого века.
Впервые термин «умная пыль» был предложен профессором из Калифорнийского университета в Беркли Кристофером Пистером в 1997 году. Изначально Пистер описывал беспроводную сеть сенсорных узлов. В наше время эти субмиллиметровые датчики уже работают, фиксируя температуру окружающей среды, влажность, освещенность, звук и даже химический состав веществ.
Кроме этого эти крошечные устройства способны проводить вычисления, поддерживать связь и сообщать информацию об окружающей среде. Эти датчики работают без источника внешнего питания, используя свет, вибрации или электромагнитные поля.
Устройства типа «умная пыль» могут быть развернуты в больших количествах и способны масштабировать сферу применения Интернета вещей (IoT) даже в уменьшенных размерах. Они сочетают в себе электрические и механические компоненты, а новейшие версии собирают энергию за счет вибраций или из воздуха.
Эти устройства работают по тому же принципу, что и дверные звонки, умные термостаты или носимые фитнес-трекеры, подключенные к сети для сбора данных и передачи их на короткие расстояния в центральный узел. Однако подобные крошечные технологии уже производятся в больших количествах — от тысяч до миллиардов единиц.
Каждая пылинка представляет собой отдельную единицу в сети, имея размер менее одного кубического миллиметра, и содержит встроенные микросхемы для измерения и обработки данных. В определенной среде эти устройства используют радиочастотные приемопередатчики для связи.
Они используют встроенные источники питания, в частности, толстопленочные аккумуляторы или источники сбора энергии за счет солнечных элементов, тепловую стабилизацию или вибрации окружающей среды. В основном они покрыты защитными полимерами для защиты от агрессивного воздействия окружающей среды.
По словам инженера по коммуникациям в Калифорнийском университете Рэнди Каца, который был одним из первых разработчиков этой технологии, эти устройства особенно перспективны для обнаружения химического оружия или размещения в космосе. Сегодня они используются во все большем количестве областей, включая мониторинг окружающей среды, городскую инфраструктуру, промышленную автоматизацию, здравоохранение, военную оборону и сельское хозяйство.
Одним из ключевых преимуществ этой технологии является ее масштабируемость и универсальность. Небольшой размер датчиков обеспечивает их незаметную интеграцию почти в любую среду. Беспроводная модульная конструкция позволяет добавлять или удалять крошечные датчики по мере необходимости в зависимости от сферы применения.
Это может включать в себя мониторинг жизненно важных показателей в организме человека или же отслеживание работы оборудования в сетях глобальных цепей поставок, а также выявление ранних признаков стихийных бедствий. «Умная пыль» обеспечивает сбор данных в режиме реального времени в местах, где традиционные датчики оказываются бессильными.
Адаптивность также делает эти датчики перспективным инструментом для повышения эффективности, усиления безопасности, автоматизации повторяющихся задач и сокращения расходов на громоздкую энергоемкую инфраструктуру. Однако эта система также имеет и существенные недостатки. Эти крошечные датчики непрерывно собирают информацию без ведома и разрешения пользователей. Они также не обеспечивают надежного шифрования и несут риски нарушения конфиденциальности.
Возможности этих датчиков также ограничены источником питания. Это, в свою очередь, значительно сокращает срок их службы и затрудняет обслуживание в труднодоступных местах.
Кроме этого управление большими объемами данных, которые хранят эти датчики, требует развитой инфраструктуры, а ремонт самих устройств в суровых условиях — довольно сложная задача. Поскольку эти устройства трудно обнаружить и контролировать, они уязвимы для кибератак и требуют постоянных обновлений безопасности для предотвращения несанкционированного использования.
В 2022 году мировой рынок «умной пыли» оценивался в $114,64 млн, а к 2032 году, по прогнозам, он достигнет $392,5 млн. Использование этих технологий в городских условиях улучшает контроль дорожного движения, контролирует состояние структур, оптимизирует использование ресурсов и поддерживает инициативы по обеспечению устойчивого развития.
Для более широкого внедрения этих технологий, как отмечают специалисты, необходимо еще преодолеть такие проблемы, как ограниченное энергообеспечение и энергоэффективность. После развертывания микроскопические датчики сложно отследить или выключить, что повышает риск сбоев, нецелевого использования или несанкционированного наблюдения, если они выйдут за пределы своих функций или попадут в руки злоумышленников.
Источник: Interesting Engineering
