Что такое «умная пыль» и как она связана с 4 промышленной революцией?
Фантастика или выдумка ли это неугомонных конспирологов или уже давно существует технология, которая используется в здравоохранении для доставки лекарств, для биометрической аутентификации в банках, для военного наблюдения за зонами боевых действий (и гражданским населением), для Интернета тел, он используется в продуктах питания, его распыляют в метеологических целях, и мы просто случайно вдыхаем его — это невидимая сеть микросенсорных сетей повсюду.
Давайте разбираться по порядку.
Вот статья 2010 года от CNN
«Умная пыль» нацелена на мониторинг всего
Пало-Альто, Калифорния (CNN) — В 1990-х годах исследователь по имени Крис Пистер мечтал о фантастическом будущем, в котором люди будут усеивать Землю бесчисленными крошечными датчиками, размером не больше рисовых зернышек.
Эти частицы «умной пыли», как он их назвал, будут следить за всем происходящим, действуя как электронные нервные окончания для планеты. Оснащенный вычислительной мощностью, сенсорным оборудованием, беспроводными радиостанциями и длительным временем автономной работы, smart dust мог бы проводить наблюдения и передавать огромное количество данных о людях, городах и природной среде в режиме реального времени.
Теперь фантазия Пистера о «умной пыли» начинает воплощаться в реальность.
«Это захватывающе. Я долго ждал этого», — сказал Пистер, профессор компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли. «Я придумал эту фразу 14 лет назад. Так что работа над «умной пылью» заняла некоторое время, но, наконец, она появилась».
Возможно, это не совсем то, что он себе представлял. Но прогресс есть. Последние новости поступили от компьютерной и полиграфической компании Hewlett-Packard, которая недавно объявила, что работает над проектом, который позволит
это называется «Центральной нервной системой Земли».В ближайшие годы компания планирует установить триллион датчиков по всей планете. Беспроводные устройства будут проверять состояние экосистем, быстрее обнаруживать землетрясения, прогнозировать движение транспорта и контролировать потребление энергии.
Идея заключается в том, что несчастные случаи можно было бы предотвратить и сэкономить энергию, если бы люди знали больше о мире в режиме реального времени, а не когда работники проверяют эти проблемы лишь изредка.
По словам Пита Хартвелла, старшего научного сотрудника HP Labs в Пало-Альто, HP сделает первый шаг к достижению этой цели примерно через два года. По его словам, компания совместно с Royal Dutch Shell планирует установить 1 миллион мониторов размером со спичечный коробок, которые помогут в разведке нефти, измеряя колебания и перемещение горных пород.
Эти датчики, которые уже были разработаны, будут охватывать территорию площадью 6 квадратных миль. По его словам, это будет крупнейшее внедрение «умной пыли» на сегодняшний день.
«Мы просто думаем, что сейчас технология достигла того уровня, когда она имеет для нас принципиальный смысл… чтобы воплотить это в жизнь из лаборатории».
— Спросил Хартвелл.Эти частицы «умной пыли», как он их называл, будут следить за всем, действуя как электронные нервные окончания для планеты.
Оснащенный вычислительной мощностью, сенсорным оборудованием, беспроводными радиостанциями и длительным временем автономной работы, умная пыль будет вести наблюдения и передавать горы данных в режиме реального времени о людях, городах и окружающей среде.
Статья заканчивается таким прогнозом:
Несмотря на недавний ажиотаж, в компьютерной индустрии все еще существует большая путаница в отношении того, что же такое «умная пыль».
Начнем с того, что датчики, которые внедряются и разрабатываются сегодня, намного крупнее и громоздче, чем пылинки. Датчики HP —
акселерометры, подобные тем, что установлены в iPhone и Droid Phone, но примерно в 1000 раз мощнее — размером со спичечный коробок. Если их поместить в металлическую коробку для защиты, они будут размером с видеокассету.Итак, чем же интеллектуальный датчик пыли отличается от метеостанции или устройства контроля дорожного движения?
Размер — это один из факторов. Интеллектуальные датчики пыли должны быть относительно небольшими и портативными.Однако технологии продвинулись недостаточно далеко, чтобы производить датчики в миллиметровом масштабе для коммерческого использования (хотя исследователи из Беркли пытаются создать датчик размером в кубический миллиметр).
Беспроводные соединения также являются важным отличительным признаком. Термостат в здании, скорее всего, подключен к сети. Интеллектуальный датчик пыли может измерять температуру, но он будет работать от батареи и будет взаимодействовать по беспроводной сети с Интернетом и другими датчиками.
По словам Деборы Эстрин, профессора компьютерных наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая работает в этой области, само количество датчиков в сети — это то, что действительно отличает проект Smart dust от других попыток сбора данных о мире.
Исследователи «умной пыли» склонны говорить о миллионах, миллиардах и триллионах. Некоторые говорят, что реальность настолько сильно отличается от концепции «умной пыли», что пришло время отказаться от этого термина в пользу чего-то менее привлекательного.
Термины «беспроводные сенсорные сети» или «сетки» находят все большее признание у некоторых исследователей.
Эстрин сказала, что важно отказаться от идеи, что интеллектуальные датчики пыли будут одноразовыми.Датчики должны быть разработаны для конкретных целей и намеренно размещены на земле, а не разбросаны по ветру, как это было
изначально сделано с «умной пылью», — сказала она.«Интернет в реальном мире»
Несмотря на эти различия, исследователи утверждают, что теория «умной пыли» о том, что мониторинг всего происходящего принесет пользу человечеству, по сути, остается неизменной.
И существует ряд реальных проектов, которые, так или иначе, направлены на использование беспроводных датчиков для измерения показателей жизнедеятельности Земли.
Исследователи рассказали в интервью, что беспроводные датчики в настоящее время контролируют фермы, заводы, центры обработки данных и мосты, чтобы повысить эффективность и понять, как
работают эти системы.Во всех этих случаях сенсорные сети развертываются для определенной цели. Например, компания Streetline установила 12 000 датчиков на парковочных местах и автомагистралях в Сан-Франциско. Датчики не знают всего, что происходит на этих парковочных местах.
Они оснащены магнитометрами, позволяющими определить, находится ли на месте огромный металлический предмет — надеюсь, автомобиль — или нет.
По словам Тода Дикстры, генерального директора Streetline, эти данные скоро будут доступны для людей, которые смогут использовать их, чтобы определить, где припарковаться.
Система также сообщает городам, истек ли срок действия счетчиков. Другие датчики предназначены для измерения вибрации на фабриках и нефтеперерабатывающих заводах, чтобы выявлять неполадки в работе оборудования до того, как они
вызовут проблемы.Другие датчики могут получать данные о температуре, химическом составе или звуке. Крошечные камеры или радары также могут быть подключены к сети сбора данных для обнаружения присутствия людей или транспортных средств.
По словам Дэвида Каллера, профессора компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, преимущество этих сетей в том, что они в конечном итоге могут быть подключены.
Каллер говорит, что разработка этих беспроводных сенсорных сетей аналогична созданию Всемирной паутины. Благодаря идее smart dust создается «Сеть реального мира», — сказал он. Но, по его словам, мы все еще находимся на ранней стадии развития.
«Netscape [для беспроводной сенсорной сети] еще не полностью реализован», — сказал он.
Эффект большого брата
Даже когда они используются для научных или общественных целей, у некоторых людей все равно возникает чувство «Старшего брата» — неприятное ощущение того, что они находятся под постоянным секретным наблюдением, — из-за идеи размещения триллионов мониторов по всему миру.
«Это очень, очень, очень серьезное потенциальное вторжение в частную жизнь, потому что мы говорим об очень, очень маленьких датчиках, которые могут быть практически незаметны», — сказал Ли Тьен, юрист Electronic Frontier Foundation, сторонник защиты частной жизни.
«Они там в таком количестве, что вы действительно ничего не можете с ними поделать с точки зрения простых контрмер». Это не значит, что исследователи должны прекратить работу над «умной пылью». Но по ходу работы они должны помнить о конфиденциальности, сказал он.
Пистер сказал, что беспроводные частоты, которые используют для связи «умные» датчики пыли, которые работают как Wi-Fi, имеют встроенную защиту.Таким образом, данные становятся общедоступными только в том случае, если этого хочет человек или компания, установившие датчик, сказал он.
«Очевидно, что существуют проблемы безопасности и конфиденциальности, — сказал он. — И хорошая новость заключается в том, что когда технология радиосвязи была внедрена,
разработанный специально для этих целей, он был разработан вскоре после того, как все серьезные опасения по поводу безопасности Wi-Fi были сняты. …У нас есть все необходимые средства защиты, чтобы сделать эту информацию конфиденциальной». Если воплотится в жизнь другое видение smart dust, могут возникнуть дополнительные проблемы с конфиденциальностью. Некоторые исследователи рассматривают возможность использования мобильных телефонов в качестве датчиков.
В этом случае миллиарды людей, путешествующих по Земле с мобильными телефонами, станут «умной пылью».
Светлое будущее
Исследователи «умной пыли» говорят, что их теория мониторинга мира — какой бы она ни была на практике — принесет пользу людям и окружающей среде. «Чем больше информации, тем лучше», — сказал Пистер.
«Наличие большего количества датчиков повышает эффективность системы, снижает спрос и сокращает количество отходов», — сказал он. «Так что все это просто замечательно».
Хартвелл, исследователь HP, говорит, что единственный способ, с помощью которого люди могут бороться с такими серьезными проблемами, как изменение климата и утрата биоразнообразия, — это получать больше информации о происходящем.
«Честно говоря, я думаю, что мы должны это делать с точки зрения устойчивости и охраны окружающей среды», — сказал он.
Несмотря на то, что первое применение проекта HP «Центральная нервная система для Земли» будет коммерческим, Хартвелл говорит
, что мотивы создания smart dust являются альтруистическими.
«Люди спрашивают меня, в чем заключается моя работа, и я отвечаю, что собираюсь спасать мир», — сказал он.
Smart Dust
В 2010 году на правительственном технологическом веб-сайте была опубликована эта статья, которая дает отличный обзор того, что такое умная пыль и как она работает:
Здравоохранение и социальные службы Пыль на ветру
В 1997 году, будучи профессором Калифорнийского университета в Беркли, Крис Пистер предложил проект по доставке датчиков, вычислений и сетей в миллиметровом корпусе. Проект, получивший название Smart Dust, был профинансирован DARPA в том же году.
Идея заключалась в том, чтобы создать недорогие, работающие от батареек беспроводные сенсорные сети, которые можно было бы сбрасывать над полем боя или другими интересными районами или быстро и легко размещать их в различных зданиях и сооружениях для оценки ситуации, сказал Пистер, который является президентом и генеральным директором Dust Inc.«Вы можете отслеживать, когда люди или транспортные средства проезжают мимо, Вы можете отслеживать вещи, будь то вражеские комбатанты или гражданские лица — есть много замечательных вещей, которые вы можете сделать, если у вас есть датчики для этого», — сказал он. «Это все то, что вы можете сделать сегодня, если потратите время и деньги на все это, но у вас нет той роскоши в битве или в чужой стране, в которой вы собираетесь сражаться — вы просто не можете попасть туда с проводной системой».
«Соринка» «умной пыли» — это узел обработки данных датчиков — точка размером в миллиметр в сети, которая наблюдает и записывает свое окружение. «Информация, которую собирают эти пылинки, варьируется в зависимости от того, что вы хотите наблюдать», — сказал Стивен Глейзер, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии в Калифорнийском университете в Беркли.
«У него есть микроконтроллер, двусторонняя радиосвязь, буферная память и так далее, и тому подобное, и он динамически перепрограммируется, так что вы можете изменить то, что он может сделать позже», — сказал он. «Это умное устройство; У них есть операционная система, которая позволяет устройствам взаимодействовать друг с другом и [передавать] данные без вмешательства со стороны внешнего босса, так что это одноранговая сеть».
По словам Глейзера, Smart Dust использует специальные сети, что означает, что устройства настраивают сеть самостоятельно на лету, а структура сети меняется со временем.
Сеть также может быть настроена произвольно, добавил Глейзер, и, поскольку узлы или узлы автономны, они самоорганизуются в сеть. Промежуточные узлы помогают удаленным узлам достичь материнского блока, который управляет данными датчиков и подключен к ПК, известному как базовая станция.Датчики используют программное обеспечение с открытым исходным кодом для беспроводных сетей под названием TinyOS для общения друг с другом. Дэвид Каллер, профессор компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли, который руководит исследовательской лабораторией Intel в университете, написал TinyOS.
Когда объявляют о новой технологии, люди склонны сомневаться в ее надежности, пока она не будет доказана, над чем работают Каллер, Глейзер, Пистер и все остальные, чьи руки в пыли. Первоначально тестирование в среде имело наибольший смысл, потому что узлы могли быть рассредоточены и собирать данные, не затрагивая никого.
«Как вы проходите через эти шаги и развиваете доверие к новым технологиям?» — сказал Каллер. «Естественной отправной точкой была окружающая среда. Во-первых, он не двигается». Глейзер и его аспиранты совместно с Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли измеряют влажность в хранилище ядерных отходов, которое планируется построить в Юкка-Маунтин, штат Невада. По словам Глейзера, устройство, традиционно используемое для измерения влажности в хранилище, имеет большие размеры и выделяет много тепла, которое может быть использованоподвешивает влажность.
Поскольку Smart Dust настолько мал, он может работать в течение длительного времени без проводов и отправлять данные из мест, куда большое устройство не попадет. Это был идеальный кандидат. У Глейзера также есть предстоящие проекты в Израиле и Китае.
На данный момент наибольшее количество частиц, рассредоточенных на территории, составляет несколько сотен, сказал Каллер, добавив, что разработка для облегчения сети продолжается, и сборка сетей все еще требует большого объема работы.Умные пылинки считаются дешевыми — несколько сотен долларов каждая, сказал Глейзер, но цены будут снижаться, потому что сейчас они все еще считаются исследовательскими устройствами. По мере того, как они становятся коммерческими, стоимость значительно снизится, потому что большая часть затрат приходится на разработку.
«Датчики могут варьироваться — скажем, для вибрации — от 5 долларов за штуку до 1000 долларов за штуку, в зависимости от того, насколько чувствительными вы хотите их для того, что вам нужно», — сказал Глейзер. «Если вы смотрите на очень сильную реакцию на землетрясения, и вас интересуют не небольшие толчки, а настоящие землетрясения, то монета за 5 долларов отлично подойдет».
Что такое MEMS
MEMS (или МЭМС) — это микроэлектромеханическая система. 1 Это комбинация устройств микрометрового размера, состоящих как из электронных компонентов, так и из механических движущихся частей. 2
Все компоненты МЭМС — и электронные, и механические — изготавливаются из совместимых материалов и монтируются на одном чипе. Чаще всего для изготовления МЭМС-устройств используется монокристаллический кремний, но также применяют материалы на основе соединений галлия и различные полимеры.
Топ-5 производителей MEMS меняют здравоохранение в том виде, в котором мы его знаем, и MEMS-датчики внедряются повсеместно:
Топ-5 компаний, занимающихся MEMS-технологиями в 2023 году
По данным Mordor Intelligence, прогнозируется, что рынок MEMS вырастет с 15,50 млрд долларов США в 2023 году до 23,23 млрд долларов США к 2028 году при среднегодовом темпе роста 8,43%.
Это расширение подпитывается растущим спросом на МЭМС в различных секторах, от автомобилестроения до бытовой электроники. Технология MEMS имеет решающее значение для удовлетворения потребности IoT в небольших, экономичных датчиках для мониторинга производства и работы в тяжелых условиях.
Он играет жизненно важную роль в автоматизации благодаря своей чувствительности, надежности и масштабируемости. Трудности возникают из-за сложного процесса производства этих устройств. Во время борьбы с COVID-19 в индустрии микросхем резко возросло использование MEMS, что привело к инновациям в электронике, включая экспресс-тестирование и методы обнаружения SARS-CoV-2
Так компания Филлипс обсуждает, как прецизионное здравоохранение основано на использовании MEMS и как эта технология существует уже несколько десятилетий:
В ответ на это следует отметить, что здравоохранение претерпевает изменения по нескольким направлениям. Пациенты получают максимальное количество лечения в домашних условиях, и эта тенденция ускорилась во время пандемии. Кроме того, пациенты как никогда имеют возможность понимать и улучшать состояние своего здоровья благодаря носимым устройствам и онлайн-информации.
Персонализация дает возможность адаптировать терапию к конкретным пациентам. Наконец, эффективность здравоохранения стимулируется переходом к плате за лечение, а не к оплате лечения.[1] Парадоксально, но эти четыре пути решения макросоциальных проблем в здравоохранении технически возможны на микроуровне.
Несколько технологических разработок на субмиллиметровом уровне предлагают дорожную карту отхода от глобального инфаркта здравоохранения.
Некоторые из этих решений реализованы в микроэлектронных механических системах (МЭМС), которые существуют уже несколько лет или даже десятилетий. Ожидается, что в некоторых областях применения МЭМС выполнят свои обещания уже в ближайшие годы.
Проще говоря, MEMS-устройство — это электронная микросхема с подвижными частями. Лаборатория на чипе (LOC) — это MEMS-устройство, которое может объединять несколько лабораторных функций на субмиллиметровой интегрированной микросхеме. В основе LOC лежит микрофлюидный канал, который часто сочетается с электрическими и оптическими функциями, позволяющими смешивать жидкости, манипулировать ими для (био)химических реакций, подготовки образцов, обнаружения и считывания данных.
Хотя многие проекты «лаборатории на чипе» всё ещё находятся на стадии проверки концепции, в целом считается, что у этой технологии большой потенциал. «В области электрофизиологии происходят действительно интересные разработки, — говорит Рональд. — Особенно в лабораториях существует большой спрос на электронное измерение и стимуляцию групп клеток, таких как нейроны или клетки сердца».
Хотя устройства «лаборатория на чипе» могут быть разработаны на бумажной или полимерной платформе, для индустриализации некоторых сложных приложений «лаборатория на чипе» можно использовать высокую точность микропроизводства и зрелость кремниевой технологии, а также возможность легко интегрировать любые микроэлектроды и даже электронику на одном чипе.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) в доставке лекарств
МЭМС — это небольшие интегрированные устройства, сочетающие в себе электрические и механические компоненты, и стали возможными благодаря достижениям в области микрофлюидики и миниатюризации электроники.
Они варьируются от простых систем без движущихся частей до очень сложных систем. МЭМС могут быть асептически изготовлены с использованием биосовместимых материалов, а также могут быть герметично закрыты. Устройства доставки лекарств MEMS обычно состоят из трех компонентов: камеры для лекарств, механизма выпуска лекарств и упаковки, и могут включать в себя датчики, каналы, насосы, клапаны, иглы, мембраны и один или несколько резервуаров для лекарств.
MEMS-устройства могут быть имплантируемыми или носимыми, а также применяться при хронических и долгосрочных заболеваниях. Они могут доставлять лекарства в определенные места, а некоторые могут доставлять более одного препарата. Те, кто оснащен встроенными датчиками, могут адаптировать скорость доставки в соответствии с потребностями пациента на основе обнаружения жизненно важных показателей или биомаркеров.
МЭМС имеют небольшие размеры и малый вес и могут быть легко интегрированы с электрическими и электронными цепями. MEMS-устройства могут быть с питанием или без него. Питаемые MEMS имеют низкое энергопотребление и могут быть автономными. Однако у MEMS-устройств есть ряд недостатков. Они могут быть хрупкими и выйти из строя в результате загрязнения, усталости, трения или износа.
МЭМС используются для оценки свежести продуктов питания и имеют другие применения в пищевой промышленности.
Например:
Газовый датчик ближнего инфракрасного спектра MEMS для многокомпонентного обнаружения пищевых газов
Здесь мы демонстрируем микроэлектромеханическую систему (MEMS) с технологией спектрального обнаружения газов в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) и обучением спектральной модели, которая используется для улучшения обнаружения и классификации многокомпонентных газов в продуктах питания.
Во время тестирования слепых образцов спектральный газовый датчик NIR продемонстрировал более чем 90-процентную точность при идентификации смешанных газов, а также при классификации концентрации этанола. Мы предполагаем, что наша стратегия проектирования спектрального газового датчика в ближнем инфракрасном диапазоне может повысить эффективность обнаружения и распознавания газов в условиях фоновых газовых помех и перекрестных помех при многокомпонентном обнаружении.
Военные технологии
В этой статье доктор Анна Михальч показала лучших подрядчиков Smart Dust для военных, прогнозируемых на 2025 год:
«Будущая эра GNR (генетика, нанотехнологии, робототехника) наступит не только из-за экспоненциального взрыва вычислений, но и из взаимодействия и бесчисленных синергий, которые станут результатом множества взаимосвязанных технологических достижений».4
В этом сложном мире систем систем комбинации вспомогательных технологий создают мощные и эффективные технологические приложения. Одним из применений, основанных на слиянии нанотехнологий, беспроводных сенсорных сетей и микроэлектронных механических систем (МЭМС), является Smart Dust, сетевые молекулярные частицы, способные измерять, собирать и отправлять информацию удаленно.
Патент Wells Fargo
Вот патент Wells Fargo, использующий умную пыль для аутентификации пользователей кредитных карт:
Системы и методы, облегчающие аутентификацию пользователя при совершении платежа с помощью микроэлектромеханических систем (МЭМ) устройств (т.е. умной пыли). Устройства MEM могут иметь датчики, которые собирают данные и передают их на устройство базовой станции.
Устройства MEM могут собирать данные датчиков, включая биометрические данные и/или захватывать изображения человека. MEM также могут собирать данные датчиков, такие как аудиоданные, оптические данные, данные о температуре, артериальном давлении, давлении и движениях, и сравнивать их с данными, связанными с профилем пользователя, чтобы определить, что лицо, совершающее платеж, является тем же лицом, которое связано с профилем пользователя.
После того, как личность человека была подтверждена и, таким образом, аутентифицирована, запрос на платеж может быть подтвержден, и платеж может быть произведен либо с помощью мобильного устройства, либо с помощью кредитной карты.
Связь с распылениями
MEMS также использовались для прогнозирования погоды. Обратите внимание, что мы вдыхаем МЭМС, которые распыляются.
Технологии существуют и не рассказывают, где они применяются.
Еще в 2014 году футуролог доктор Оскар Виллани сказал, что можно следить за людьми с помощью едва видимых компьютерных чипов. Эти крошечные чипы называются “Умная пыль”. Сотни из них могут быть “переданы” человеку простым рукопожатием.
DARPA, военно-исследовательский центр Министерства обороны США, принимал активное участие в его разработке. Они также нашли способ использовать умную пыль для считывания наших мозговых волн и сигналов, потенциально раскрывая невыраженные мысли и настроения.
1 июля 2014 года футуролог Оскар Виллани был гостем немецкой телевизионной программы “Heute Konkret”. Почти 5-минутное интервью начинается с того, что Виллани пожимает руку ведущей Клаудии Рейтерер, а затем сообщает ей, что он передал ей несколько сотен микрочипов, которые теперь можно использовать для наблюдения за ней в течение 14 дней и считывания самых разных данных.
Подробнее:
Источник: доктор Анна Михальч
