Потенциальная область применения ее чрезвычайно широка, от выявления производственных дефектов до контроля движений пациента в больничной палате.
«Умная пыль» (smart dust) — это небольшие беспроводные микроэлектромеханические датчики (MEMS), которые могут регистрировать все, от света до вибрации. Прогресс технологии микросхем, а также совершенствование их производства позволит сделать эти элементы размером с песчинку, хотя каждый из них будет содержать датчики, вычислительные микросхемы, устройства двунаправленной беспроводной связи и источник питания. Элементы смогут собирать массу данных, инициировать вычисления и передавать эту информацию с помощью дуплексного полосового радио между элементами на расстояние до 300 м.
Потенциальная область применения таких устройств чрезвычайно широка, от выявления производственных дефектов за счет регистрации в промышленном оборудовании вибрации, превышающей допустимый уровень, до контроля движений пациента в больничной палате.
Нерешенные проблемы
Несмотря на всю перспективность таких устройств, существует ряд технических трудностей, которые препятствуют их широкому коммерческому распространению. К примеру, как отметил Гэри Феддер, адъюнкт-профессор по электрическому и компьютерному инжинирингу и робототехнике Университета Карнеги-Меллона, ученые пытаются решить архитектурные проблемы, возникающие при попытках объединить MEMS и электронику на одном кристалле.
Одним из главных стимулов в этих разработках является растущая уверенность ученых в том, что подобные технологии в результате смогут оказать серьезное влияние на общество. Это также объясняет, почему агентство Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) начало финансирование некоторых направлений этих работ в Университете штата Калифорния (Беркли) в 1998 году.
Цель ученых заключается в том, чтобы габариты такой платы не превышали 1 мм во всех измерениях. Сейчас, как отметил Кристофер Пистер, профессор электротехники Университета Беркли, занимающийся «умной пылью» с 1997 года, размер пылинок составляет около 5 мм.
Пистер взял в университете годичный отпуск до начала 2004 года и работает сейчас в компании Dust, создающей одноранговые беспроводные сети датчиков. По его словам, задача Dust — предоставить разработчикам аппаратные и программные интерфейсы, которые были бы стабильны, надежны и дешевы.
Пистер считает, что потенциальная область применения «умной пыли» необычайно широка, в частности их можно использовать в качестве датчиков трафика на загруженных улицах городов и контроля уровня энергопотребления домашних приставок для того, чтобы определить, работают ли они с максимальной эффективностью. Крошечные размеры таких микромашин предъявляют особые требования к источникам питания. В идеале исследовательские и коммерческие организации хотят иметь возможность развертывать беспроводные «пылинки», которые были бы не привязаны к источникам питания, в то время как многие из тестируемых и применяемых сейчас систем получают питание от миниатюрных батареек.
«Энергии батарейки хватает на ограниченный срок. Сейчас многие работают над продлением срока службы баатрей», — отмечает Майк Хортон, генеральный директор компании Crossbow Technology, занимающейся технологиями MEMS. Одним из ее клиентов является косметологическая компания, которая использует беспроводные датчики для чувствительных к влажности продуктов. «Их можно подсоединить к источнику питания, например, на стене, но при этом теряется весь смысл — автономные датчики не смогут выполнять работу, для которой предназначены».
Новые открытия
Ученые пытаются решить эту проблему, в частности, сосредоточиваясь на так называемых низкоэнергоемких протоколах маршрутизации по требованию, которые позволяют доставить сообщение от одного элемента к другому с минимальными энергозатратами. Такие исследования последние два года проводятся в университете Беркли, Массачусетсском технологическом институте и в университете штата Калифорния (Лос-Анджелес). «Пока мы не нашли универсальный подход», — заметил Хортон. Однако он считает, что в ближайшее время будут сделаны два важнейших открытия, которые позволят снизить уровень энергоемкости и уменьшить размер самих беспроводных датчиков. Первое из них позволит вместо нескольких полупроводниковых устройств, необходимых сейчас для работы этих «пылинок», использовать только одно, которое, по мнению Хортона, будет создано в ближайшие два года.
Что же касается энергоемкости, то Хортон отметил, что исследования, проведенные Шедом Раунди из Беркли, дадут возможность более эффективно использовать энергию, благодаря чему «умные пылинки» смогут работать дольше. Эти исследования связаны с использованием энергии колебаний, создаваемых промышленными устройствами, или получением энергии из слабого света. Такие способы извлечения энергии, как считает Хортон, будут предложены в ближайшие пять лет.
С большим энтузиазмом рассуждая о потенциальных областях применения «умной пыли», ученые и разработчики коммерческих продуктов не скрывают, что для этого необходимо решить серьезные проблемы проектирования и питания. «Многие стремятся как можно скорее предложить на основе этой технологии коммерческие решения, но сама технология еще довольно несовершенна и широкое распространение подобных устройств начнется лишь через несколько лет».