22.5.2024

Publication-X

"in tenebris moderni diei, solum bellum est"

Smart Dust: Mitä se on ja miten sitä käytetään?

8 min read
Smart Dust: Mitä se on ja miten sitä käytetään?

Pikalinkki tähän artikkeliin: https://publication-x.com/rvd1

Kuvittele pilvi antureita, joista jokainen on hiekanjyvän kokoinen tai jopa pienempi, joita hurrikaanituulet puhaltavat ilmaan ja jotka välittävät tietoja myrskystä alla oleville sääasemille. Kuvittele älykkään kaupungin teihin upotettu näkymätön anturiverkko, joka valvoo liikennettä, tienpinnan vaurioita ja tunnistaa vapaat pysäköintipaikat – kaikki reaaliajassa. Tai miljardeja nanosensoreita, jotka on sijoitettu metsiin ja muille palovaarallisille alueille ja jotka havaitsevat tulipalon heti sen alkuvaiheessa. Tai kuvittele ohjelmoitava älypöly, joka laukaisee hälytyssignaalin, kun turbiinin siivessä havaitaan näkymättömiä mikrosäröjä.

Älykäs pöly tarkoittaa hiekanjyvää pienempien, alle millimetrin kokoisten autonomisten laskenta- ja havaintoalustojen langattomia verkkoja. Älypöly havaitsee ja tallentaa tietoja ympäristöstään, kuten valosta, lämpötilasta, äänestä, myrkkyjen esiintymisestä tai tärinästä, ja lähettää nämä tiedot langattomasti suurempiin tietokonejärjestelmiin.

Älypöly on visio verkottuneesta tulevaisuudesta, jossa triljoonien minikokoisten sensoreiden älykkäät verkostot tuntevat, maistavat, haistavat, näkevät ja kuulevat jatkuvasti ympäristönsä tapahtumat, kommunikoivat keskenään ja vaihtavat tietoja. Älykkäät pölyverkot ovat perimmäisiä esineiden internetin (Internet-of-Things, IoT) laitteita.

Älypöly on vallankumouksellinen, koska anturit ovat niin pieniä, että ne voidaan sijoittaa minne tahansa, jopa ahtaisiin ja vaikeisiin paikkoihin. Toinen valtava etu on se, että nämä laitteet toimivat ilman ihmisen puuttumista asiaan, sillä ne on ohjelmoitu valmiiksi ja niillä on pienestä koostaan huolimatta oma virtalähde.
Tämän tekniikan odotetaan valvovan rakennusten ohjausta, putkistoja, tehdaslaitteita ja lääkkeiden valmistusprosesseja, mutta sen odotetaan johtavan myös kaikkialla läsnä olevaan autonomiseen keinotekoiseen älykkääseen laskentaan lähellä loppukäyttäjää, kuten autentikoinnissa, lääketieteellisissä toimenpiteissä ja terveydenhuollon valvonnassa, aistimisessa ja seurannassa, teollisuuden ja toimitusketjujen valvonnassa sekä puolustussovelluksissa.
Vaikka älykkäät pölylaitteet eivät ole vielä aivan pölyn kokoisia, tutkijat toivovat, että nämä laitteet saadaan nanoteknologian avulla kutistettua pölyhiukkasen kokoisiksi.

Jotta tällaiset kertakäyttöiset laitteet olisivat taloudellisesti kannattavia, niiden on oltava halpoja (puhutaan pennin tai jopa pennin murto-osista), jopa halvempia kuin radiotaajuustunnisteet, joita käytetään nykyisin esimerkiksi varastojen varaston seurantaan.

Miten älypöly toimii ja mitä se tekee?
Älypölyverkoissa on solmuja (moteja), joissa yhdistyvät anturi-, laskenta- ja langattomat viestintäominaisuudet sekä itsenäinen virransyöttö pienessä paketissa, jonka tilavuus on muutama kuutiomillimetri tai jopa vähemmän.

Smart dust perustuu mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-järjestelmiin. MEMS koostuu mistä tahansa mekaanisten (vipuja, jousia, kalvoja jne.) ja sähköisten (vastukset, kondensaattorit, induktorit jne.) komponenttien yhdistelmästä, jotka toimivat antureina tai toimilaitteina. Tulevaisuudessa, kun valmistustekniikat kehittyvät, nämä järjestelmät pienenevät entisestään ja muuttuvat nanoelektromekaanisiksi järjestelmiksi (NEMS, nanoelectromechanical systems).

Motit rakennetaan tavanomaisilla pii-mikrovalmistustekniikoilla, ja ne voivat jäädä leijumaan pölyä muistuttavaan ympäristöön (tästä nimi).

Alle 1 mm:n kokoinen mite lähestyy mikroskaalan hammaspyöräketjua. (Kuva: Sandia National Laboratories)
Kukin hiirulainen voidaan jättää ilman valvontaa keräämään ympäristötietoja, kuten valoa, lämpötilaa, painetta, tärinää, myrkkyjen esiintymistä jne., ja välittää nämä tiedot langattomasti suurempiin, etäällä sijaitseviin tietokonejärjestelmiin – tai, riippuen hiirulaisen laskentatehosta, käsitellä niitä suoraan tiedonkeruupisteessä.

Esimerkiksi teollisuusympäristössä älykkäät pölyanturit välittävät signaaleja takaisin komentotietokoneelle, joka sitten kokoaa tiedot ja antaa palautetta tehtaan johtajille. Tulokset voivat myös käynnistää automaattisen reaktion, kuten rakennuksen lämpötilan laskemisen tai veden virtauksen vähentämisen.
Toinen esimerkki on DARPAn SHIELD-ohjelma, jossa suunnitellaan mikrosirujen käyttöä puolustussovelluksissa käytettävien tietokonesirujen toimitusketjun seuraamiseen ja todentamiseen. Tavoitteena on poistaa väärennetyt integroidut piirit elektroniikan toimitusketjusta tekemällä väärentämisestä liian monimutkaista ja aikaa vievää, jotta se olisi kustannustehokasta. SHIELDin tavoitteena on yhdistää NSA-tason salaus, anturit, lähikenttävoima ja tietoliikenne pieneen siruun, joka voidaan sijoittaa integroidun piirin pakkaukseen.

Älypölykonseptin alkuperä
Tri Kris Pister, joka toimi sähkötekniikan professorina Berkeleyn yliopistossa Kaliforniassa, ideoi “Smart Dustin” 1990-luvulla yksinkertaiseksi tavaksi ottaa käyttöön älykkäitä langattomia antureita.

Tuolloin Pister kuvitteli maailman, jossa kaikkialla olevat anturit voisivat mitata kaikkea mitattavaa. Hän ajatteli heti ympäristösovelluksia, kuten sään seurantaa (lue hänen konseptipaperinsa vuodelta 2000: Emerging challenges: Smart Dust”).

Ei kuitenkaan ole yllätys, että juuri armeija antoi sysäyksen ja rahoituksen älykkään pölyn kehittämiselle. Vuonna 1992 DARPA rahoitti Pisterin tutkimusta Smart Dust -hankkeessa (voit lukea alkuperäisen ehdotuksen täältä PDF-tiedostona).

aavio älykkään pölyn taistelukentän anturiverkostosta DARPA:n Smart Dust -hankkeen avustushakemuksessa esitetyn kuvan mukaisesti: Tuhansia neliökilometrit kattavia anturisolmuja toimitetaan autonomisella helikopterilla. Ne seuraavat ajoneuvojen liikkeitä tuntien/päivien ajan ja raportoivat tietoja suoran videokuvan päälle asetettuna, kun niitä kysytään käsivastaanottimella tai helikopterilla olevalla vastaanottimella.

Tutkijat ovat demonstroineet täysin toimivia monilinssiobjektiiveja, joiden koko on noin 100 mikronia, eli suunnilleen suolajyvän kokoinen, ja jotka voisivat johtaa älykkäisiin pölymuniin, joilla on itsenäinen näkö. Linssit osoittavat ennennäkemättömiä suorituskykyjä ja korkeaa optista laatua, ja niiden resoluutio on jopa 500 viivaparia millimetriä kohti kuvantamissovelluksia varten.

Pölyn kokoinen virtalähde
Yhä pienemmät, submillimetrin kokoiset energianvarastointilaitteet entistä pienempiä mikroelektroniikkakomponentteja varten ovat suuri tekninen haaste. Tutkijat onnistuvat kuitenkin jatkuvasti pienentämään niiden kokoa, kuten tämä esimerkki nanosuperkondensaattorista osoittaa – se on pölyhiukkasen kokoinen, mutta siinä on AAA-pariston jännite:

Kukin sormenpäässä olevista 90 putkimaisesta superkondensaattorista on tilavuudeltaan vain 1 nanolitra (0,001 mm3), mutta se tuottaa jopa 1,6 voltin syöttöjännitteen.

Neuraalinen älypöly
Myönnettäköön, että tämä sovellus on hieman kauempana, mutta tutkijat työskentelevät sen parissa aktiivisesti. Sotilaat johtavat tätä DARPA:n Electrical Prescriptions (ElectRx) -ohjelman kautta.

Tutkijat ovat kehittäneet turvallisen, millimetrin kokoisen langattoman laitteen, joka on riittävän pieni istutettavaksi yksittäisiin hermoihin ja joka pystyy havaitsemaan hermojen ja lihasten sähköisen aktiivisuuden syvällä kehossa ja joka käyttää ultraääntä virran kytkentään ja viestintään. He kutsuvat näitä laitteita hermopölyksi.

Kukin hermopölyanturi koostuu vain kolmesta pääosasta: elektrodiparista hermosignaalien mittaamiseksi, mukautetusta transistorista signaalin vahvistamiseksi ja pietsosähköisestä kiteestä, jonka kaksoistarkoituksena on muuntaa ulkoisesti tuotettujen ultraääniaaltojen mekaaninen voima sähkötehoksi ja välittää tallennettu hermoaktiivisuus.

Tutkijat ovat jo osoittaneet, että yksittäisiin soluihin voidaan asentaa tietokonesiruja, vaikka niitä ei ole vielä verkotettu. Mutta voitte kuvitella, mihin tämä voi johtaa…

Nykytila ja haasteet
Tärkeimmät haasteet, joiden kanssa tutkijat ovat kamppailleet, ovat riittävän tehon puute pienellä tilalla ja vaikeudet integroida tehojärjestelmiä näihin erittäin pienikokoisiin laitteisiin. Koska akkuteknologioiden varastointitiheys ei ole noudattanut Mooren lain skaalautumistrendejä, esineiden internetin järjestelmien on turvauduttava ulkopuolisista lähteistä, kuten lämpö-, värähtely-, valo- tai radioaalloista, saatavaan tehomuunnokseen.

Nanoelektroniikan ja pakkaustekniikoiden kehittyessä nyt saattaa kuitenkin olla oikea aika miettiä uudelleen ratkaisuja näihin ongelmiin ja edetä kohti tehokkaampia pieniä tietokonejärjestelmiä kuin mitä alun perin ehdotettiin.

Kyky integroida erilaisia nanoelektronisia siruja – kuten prosessori, muisti ja aurinkosähkö – teollisen mittakaavan kiekkotason pakkausprosessissa ja luoda aurinkoenergialla toimivia älykkäitä pölyjä avaa mahdollisuudet näiden pienikokoisten integroitujen järjestelmien laajamittaiseen valmistukseen suurella suorituskyvyllä ja erittäin alhaisilla kustannuksilla.

Älykkään pölyn sovellukset
Älykkään pölyn sovellusten laaja kirjo tekee mahdottomaksi antaa yksityiskohtaisia kuvauksia vain yhdessä artikkelissa. Joten luetellaan vain joitakin tärkeimpiä aloja alla:

Maatalous: Viljelykasvien ravitsemustarpeiden, kastelun, lannoituksen ja tuholaistorjunnan jatkuva seuranta. Tämä arvokas tieto voi auttaa lisäämään sadon määrää ja laatua. Se voi myös tallentaa maaperän olosuhteet, kuten pH:n, hedelmällisyyden, mikrobitartunnat eli kasvin kasvun kannalta elintärkeät tiedot.

Toimialat: Olennaisten laitteiden jatkuva seulonta, joka kannustaa toimimaan niiden kunnossapidon suhteen. Koneiden tarkan kunnon, niiden heikkouksien ja korroosion arvioiminen voi estää järjestelmän täydellisen vikaantumisen.

Ympäristö: Kemiallinen ja biologinen ympäristöseuranta terveys- ja turvallisuuskysymyksiä varten (vesi, ilma, maaperä). Esimerkiksi plasmoninen älykäs pöly voisi tutkia paikallisia kemiallisia reaktioita, kuten tässä animaatiossa näytetään:

Kaupunki-infrastruktuuri: rakennusten, teiden, siltojen, tunneleiden, vesi- ja viemäriputkien sekä sähkö- ja televiestintäverkkojen seuranta on osa älykkään kaupungin kokonaiskonseptia. Älypölyä voitaisiin esimerkiksi jo nyt upottaa betoniin rakentamisen aikana.

Varastonhallinta: Tuotteiden seuranta tuotantolaitoksilta vähittäismyyntihyllyille kuljetuslaitteiden kautta (laivoista kuorma-autoihin) varmistaisi tiukan varastonhallinnan.

Lääketieteellinen diagnostiikka: ks. edellä mainittu neuraalinen älypöly.

Liikenneala: Älypöly kuljettaa helposti pilaantuvia tavaroita, koska nämä materiaalit vaativat jatkuvaa seurantaa. Helposti pilaantuvia tavaroita kuljetettaessa tiettyjä parametreja, kuten lämpötilaa, kosteutta ja ilmavuutta, on seurattava jatkuvasti. Vastaavasti älykäs pöly auttaa seuraamaan eläinten terveyttä ja valvomaan turvallisen kuljetuksen edellyttämiä olosuhteita, kuten lämpötilaa, ilmaa ja kosteutta.

Sotilaalliset sovellukset: Se auttaa pääsemään toimintoihin syrjäisillä tai vaikeapääsyisillä alueilla. Se voi myös määrittää myrkyllisten kaasujen tai haitallisten aineiden läsnäolon ja auttaa ryhtymään tarvittaviin toimiin. Taistelukentän sensoriverkot.

Avaruustutkimus: Sää, seismologinen seuranta aurinkokunnan planeetoilla ja kuissa. Tutkijat tutkivat myös täysin uudenlaista avaruusteleskooppia, jonka aukko muodostuu säiliöstä vapautuvista ja laserin ohjaamista hiukkasparvista. NASAn Innovative Advanced Concepts Program -ohjelma rahoittaa toista vaihetta “kiertoradan sateenkaarihankkeessa”, jossa yritetään yhdistää avaruusoptiikka ja älypöly eli autonomisten robottijärjestelmien teknologia.

Älypölyn riskit ja huolenaiheet
Älypölyn laajamittainen käyttöönotto toisi mukanaan namber riskejä:

Yksityisyys. Monet, jotka suhtautuvat varauksellisesti älypölyn reaalimaailman vaikutuksiin, ovat huolissaan yksityisyyden suojaan liittyvistä kysymyksistä. Älypölylaitteista tulee niin pieniä, että ne ovat paljain silmin näkymättömiä ja siksi niitä on erittäin vaikea havaita. Ne voidaan ohjelmoida tallentamaan mitä tahansa, mihin niiden anturit kykenevät (ironista kyllä, ihmiset ovat alkaneet kantaa vapaaehtoisesti mukanaan laitteita, jotka tekisivät juuri näin). Et luultavasti tiedä, kuka tietoja kerää ja mitä niillä tehdään. Mielikuvituksesi voi olla vapaalla jalalla, kun älypöly joutuu vääriin käsiin ja vaikuttaa kielteisesti yksityisyyteen.

Valvonta. Kun miljardeja älykkäitä pölylaitteita on levitetty alueelle, niitä olisi vaikea saada takaisin tai kaapattua tarvittaessa. Kun otetaan huomioon, kuinka pieniä ne ovat, niiden havaitseminen olisi haastavaa, jos niiden läsnäolosta ei tiedoteta. Älypölyn määrä, jonka roistovaltiollinen henkilö, yritys tai hallitus voisi ottaa käyttöön vahingoittamaan, tekisi viranomaisille haastavaa valvoa sitä tarvittaessa.

Kustannukset. Kuten mikä tahansa uusi teknologia, myös älypölyjärjestelmän, joka sisältää satelliitit ja muut täydelliseen käyttöönottoon tarvittavat elementit, toteuttaminen on kallista. Kunnes kustannukset laskevat, se on monien ulottumattomissa oleva teknologia.
Saastuminen. Älykkäät pölymottorit ovat pohjimmiltaan kertakäyttöisiä laitteita. Elleivät ne ole täysin biohajoavia, herää kysymys, saastuttavatko ne alueita, joilla niitä käytetään (maaperä, ilma, vesi).

Terveys. Kun älykkäät pölyhiukkaset kutistuvat nanokokoluokkaan, niiden riskiprofiili vastaa nanohiukkasten riskiprofiilia yleensä ja niiden hengittämiseen tai nauttimiseen liittyviä mahdollisia terveysriskejä.

Oikeudelliset kysymykset. Älypölyverkkojen luomien tietojen suojaamisen puute aiheuttaa yksityisyydensuojaan liittyviä huolenaiheita, mutta lisäksi kolmannet osapuolet voivat päästä verkkoon käsiksi ilman lupaa (eli murtautua siihen) ja sen tietoja voidaan käyttää laittomiin tarkoituksiin.

Lähde: