Geschrieben von: via NanoWerk
Smart Dust ist ein System von vielen winzigen, mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) wie Sensoren, Robotern oder anderen Geräten, die Licht, Temperatur, Vibrationen, Magnetismus oder chemische Verbindungen entdecken, aufzeichnen und melden können.
Dieser Artikel ist zwar schon ein paar Jahre alt, aber er ist ein guter Einstieg in das Thema Smart Dust. Die Technologie und die Industrie, die sich um sie herum bildet, ist riesig und völlig transformativ. Natürlich sollte es nicht überraschen, dass die DARPA diese Technologie ursprünglich für militärische Anwendungen auf dem Schlachtfeld entwickelt hat. Dann haben Technokraten-Wissenschaftler sie übernommen. ⁃ TN-Redakteur
Stellen Sie sich eine Wolke von Sensoren von der Größe eines Sandkorns oder sogar noch kleiner vor, die von den Winden eines Hurrikans in die Luft geweht werden und Daten über den Sturm an Wetterstationen weiterleiten. Stellen Sie sich ein unsichtbares Sensornetz vor, das in die Straßen einer intelligenten Stadt eingebettet ist, um den Verkehr und Straßenschäden zu überwachen und freie Parkplätze zu ermitteln – alles in Echtzeit. Oder Milliarden von Nanosensoren, die über Wälder und andere brandgefährdete Gebiete verteilt sind, um einen Brand schon im Ansatz zu erkennen. Oder stellen Sie sich programmierbaren intelligenten Staub vor, der ein Alarmsignal auslöst, wenn unsichtbare Mikrorisse in einer Turbinenschaufel entdeckt werden.
Smart Dust bezieht sich auf drahtlose Netze von autonomen Rechen- und Erfassungsplattformen im Submillimeterbereich, die nicht größer als ein Sandkorn sind. Smart Dust erfasst und speichert Daten über seine Umgebung, wie z. B. Licht, Temperatur, Schall, das Vorhandensein von Giftstoffen oder Vibrationen, und überträgt diese Daten drahtlos an größere Computersysteme.
Smart Dust ist eine Vision der vernetzten Zukunft, in der intelligente Netze aus Billionen von winzigen Sensoren kontinuierlich fühlen, schmecken, riechen, sehen und hören, was in ihrer Umgebung vor sich geht, miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Intelligente Staubnetzwerke sind die ultimativen Internet-of-Things (IoT)-Geräte.
Smart Dust ist revolutionär, weil die Sensoren so klein sind, dass sie überall angebracht werden können, selbst in engen und schwierigen Bereichen. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass diese Geräte ohne menschliches Eingreifen funktionieren, da sie vorprogrammiert sind und trotz ihrer winzigen Größe über eine eigene Stromversorgung verfügen.
Es wird erwartet, dass diese Technologie nicht nur Gebäudesteuerungen, Pipelines, Fabrikanlagen und Arzneimittelherstellungsprozesse überwacht, sondern auch zu einer allgegenwärtigen autonomen künstlichen intelligenten Berechnung in der Nähe des Endnutzers führen wird, z. B. zur Authentifizierung, zur Überwachung medizinischer Verfahren und des Gesundheitswesens, zur Erkennung und Verfolgung, zur Überwachung von Industrie- und Lieferketten sowie zu Verteidigungsanwendungen.
Obwohl intelligente Staubgeräte bisher nicht ganz die Größe von Staub haben, hoffen die Forscher, diese Geräte mithilfe der Nanotechnologie auf die Größe eines Staubkorns zu verkleinern.
Um wirtschaftlich machbar zu sein, müssen solche Einweggeräte billig sein (wir sprechen hier von Pennies oder sogar Bruchteilen eines Pennies), sogar billiger als die Radiofrequenz-Identifikationsetiketten, die derzeit zum Beispiel für die Bestandsverfolgung in Lagerhäusern verwendet werden.
Wie funktioniert Smart Dust und was macht er?
Smart-Dust-Netze enthalten Knoten (Mote genannt), die Sensorik, Datenverarbeitung, drahtlose Kommunikationsfunktionen und autonome Stromversorgung in einem winzigen Gehäuse mit einem Volumen von wenigen Kubikmillimetern oder sogar weniger vereinen.
Smart Dust basiert auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS). MEMS bestehen aus einer beliebigen Kombination mechanischer (Hebel, Federn, Membranen usw.) und elektrischer (Widerstände, Kondensatoren, Induktoren usw.) Komponenten, die als Sensoren oder Aktoren arbeiten. In der Zukunft, wenn die Herstellungstechnologien weiter fortschreiten, wird dies zu NEMS – nanoelektromechanischen Systemen – weiter verkleinert werden.
Motes werden mit herkömmlichen Silizium-Mikrofabrikationstechniken hergestellt und können in einer staubähnlichen Umgebung in der Schwebe bleiben (daher der Name).
Jeder Mote kann unbeaufsichtigt bleiben, um Umgebungsdaten wie Licht, Temperatur, Druck, Vibrationen, das Vorhandensein von Giftstoffen usw. zu erfassen und diese Daten drahtlos an größere, entfernte Computersysteme zu übertragen – oder, je nach Rechenleistung des Motes, direkt am Ort der Datenerfassung zu verarbeiten.
In einem industriellen Umfeld beispielsweise leiten intelligente Staubsensoren Signale an einen Leitcomputer weiter, der dann die Daten zusammenstellt und den Betriebsleitern ein Feedback gibt. Oder die Ergebnisse könnten eine automatische Reaktion auslösen, wie z. B. die Senkung der Gebäudetemperatur oder die Reduzierung des Wasserdurchflusses.
Ein weiteres Beispiel ist das SHIELD-Programm der DARPA, das mikroskopisch kleine Chips zur Verfolgung und Authentifizierung der Lieferkette von Computerchips für Verteidigungsanwendungen einsetzen will. Ziel ist es, gefälschte integrierte Schaltkreise aus der elektronischen Lieferkette zu eliminieren, indem Fälschungen zu komplex und zeitaufwendig werden, um kosteneffektiv zu sein. SHIELD soll Verschlüsselung auf NSA-Niveau, Sensoren, Nahfeldstrom und Kommunikation in einem winzigen Chip vereinen, der in die Verpackung eines integrierten Schaltkreises eingesetzt werden kann.
Ursprung des Smart-Dust-Konzepts
Smart Dust” wurde erstmals in den 1990er-Jahren von Dr. Kris Pister entwickelt, als er noch Professor für Elektrotechnik an der University of California, Berkeley, war und eine einfache Möglichkeit für den Einsatz intelligenter drahtloser Sensoren suchte.
Damals stellte sich Pister eine Welt vor, in der allgegenwärtige Sensoren alles messen können, was sich messen lässt. Er dachte sofort an Umweltanwendungen wie die Wetterüberwachung (lesen Sie sein Konzeptpapier aus dem Jahr 2000: Aufkommende Herausforderungen: Mobile Vernetzung für “Smart Dust”).
Es überrascht jedoch nicht, dass es das Militär war, das den Anstoß und die Finanzierung für die Entwicklung von Smart Dust gab. Im Jahr 1992 finanzierte die DARPA Pisters Forschung im Rahmen des Smart-Dust-Projekts.
Bestandteile eines intelligenten Staubmots
Ganz grundsätzlich besteht jedes Mote aus vier Geräteklassen: Sensoren, Schaltkreise, Kommunikation und Stromversorgung. In einem drahtlosen Sensorknoten würde dies konzeptionell wie dieses Schema aussehen:
Das gesamte Paket enthält einen oder mehrere MEMS- oder NEMS-Sensoren, die den Hauptzweck des Mote erfüllen, nämlich das Erkennen und Messen von Dingen wie Vibration, Temperatur, Druck, Schall, Licht, Magnetfeld usw. Schaltkreise (Mikrocontroller) zur Verbindung mit den Sensoren und zur Verarbeitung und Speicherung der Daten. Die Kommunikation besteht idealerweise aus einem Sender und einer 3D-Antenne, die eine gleichmäßige Abstrahlung in alle Richtungen gewährleistet und somit eine orientierungsunabhängige Kommunikation ermöglicht. Die Stromversorgung für das gesamte Mote könnte je nach Einsatzgebiet ein Solarzellenfeld oder eine Art Dünnschichtbatterie oder Superkondensator sein.
Das ganze Paket sieht wie folgt aus:
Obwohl die Würfelabmessungen im obigen Beispiel 21 mm auf jeder Seite betragen, veranschaulicht es das Grundkonzept und die Komponentenarchitektur eines intelligenten Staubmots. Die unvermeidliche Miniaturisierung wird letztlich dazu führen, dass diese Geräte im Submikrometerbereich liegen.
Hier sind zwei weitere Beispiele dafür, wie die Miniaturisierung zu unglaublich winzigen Komponenten führt
Forscher haben voll funktionsfähige mehrlinsige Objektive mit einer Größe von rund 100 Mikrometern, etwa der Größe eines Salzkorns, demonstriert, die zu intelligenten Staubmotten mit autonomer Sicht führen könnten. Die Objektive weisen eine beispiellose Leistung und hohe optische Qualität mit Auflösungen von bis zu 500 Linienpaaren pro Millimeter für bildgebende Anwendungen auf.
Energieversorgung in Staubgröße
Immer kleinere Energiespeicher im Submillimeterbereich für noch kleinere mikroelektronische Bauteile sind eine große technische Herausforderung. Dennoch gelingt es den Forschern, ihre Größe immer weiter zu reduzieren, wie dieses Beispiel eines Nanosuperkondensators zeigt – er ist so groß wie ein Staubkorn, hat aber die Spannung einer AAA-Batterie:
Neuronaler intelligenter Staub
Zugegeben, diese Anwendung ist noch etwas weiter entfernt, aber die Forscher arbeiten aktiv daran. Und auch hier ist das Militär mit dem DARPA-Programm “Electrical Prescriptions” (ElectRx) federführend.
Forscher haben ein sicheres, drahtloses Gerät im Millimeterbereich entwickelt, das klein genug ist, um in einzelne Nerven implantiert zu werden, und das in der Lage ist, die elektrische Aktivität von Nerven und Muskeln tief im Körper zu erfassen, und das Ultraschall zur Energiekopplung und Kommunikation nutzt. Sie nennen diese Geräte Neural Dust.
Jeder Neural-Dust-Sensor besteht aus nur drei Hauptteilen: einem Paar Elektroden zur Messung von Nervensignalen, einem kundenspezifischen Transistor zur Verstärkung des Signals und einem piezoelektrischen Kristall, der den doppelten Zweck erfüllt, die mechanische Kraft der extern erzeugten Ultraschallwellen in elektrische Energie umzuwandeln und die aufgezeichnete Nervenaktivität zu übermitteln.
Und obwohl bisher nicht vernetzt, haben die Forscher bereits gezeigt, dass es möglich ist, Computerchips in einzelne Zellen einzubauen. Aber Sie können sich vorstellen, wohin das führen könnte… (liebe Verschwörungstheoretiker: BITTE schicken Sie uns keine Kommentare!).
Aktueller Stand und Herausforderungen
Die größten Herausforderungen, mit denen sich die Forscher auseinandersetzen, sind der Mangel an ausreichender Energie auf kleiner Fläche und die Schwierigkeiten bei der Integration von Energiesystemen in diese hochskalierten Geräte. Da die Speicherdichte von Batterietechnologien nicht dem Skalierungstrend des Mooreschen Gesetzes folgt, müssen IoT-Systeme auf die Energieumwandlung aus externen Quellen wie Wärme-, Vibrations-, Licht- oder Funkwellen angewiesen sein.
Mit der Weiterentwicklung der Nanoelektronik und der Verpackungstechnologien könnte jetzt jedoch der richtige Zeitpunkt gekommen sein, um die Lösungen für diese Probleme zu überdenken und leistungsfähigere kleine Computersysteme zu entwickeln, als ursprünglich vorgeschlagen wurde.
Die Fähigkeit, verschiedene nanoelektronische Chiplets – wie Prozessor, Speicher und Fotovoltaik – in einem großtechnischen Wafer-Packaging-Prozess zu integrieren und so solarbetriebenen Smart Dust zu schaffen, eröffnet das Potenzial für eine großtechnische Herstellung dieser kompakten integrierten Systeme mit hoher Leistung und extrem niedrigen Kosten.
Anwendungen von Smart Dust
Die große Bandbreite der Anwendungen von Smart Dust macht es unmöglich, in einem einzigen Artikel eine detaillierte Beschreibung zu geben. Daher führen wir im Folgenden nur einige wichtige Bereiche auf:
Landwirtschaft: Ständige Überwachung des Nährstoffbedarfs einer Pflanze, Bewässerung, Düngung und Schädlingsbekämpfung. Diese wertvollen Informationen können dazu beitragen, die Quantität und Qualität der Ernte zu steigern. Außerdem können Bodenbedingungen wie pH-Wert, Fruchtbarkeit, mikrobieller Befall, d. h. Informationen, die für das Wachstum der Pflanzen wichtig sind, aufgezeichnet werden.
Industrien: Kontinuierliches Screening wichtiger Anlagen, um Maßnahmen zu ihrer Instandhaltung einzuleiten. Die Beurteilung des genauen Zustands der Maschinen, ihrer Schwachstellen und der Korrosion kann einen kompletten Systemausfall verhindern.
Umwelt: Chemische und biologische Umweltüberwachung für Gesundheits- und Sicherheitsfragen (Wasser, Luft, Boden). Plasmonischer intelligenter Staub könnte etwa lokale chemische Reaktionen untersuchen, wie in dieser Animation gezeigt:
Städtische Infrastruktur: Die Überwachung von Gebäuden, Straßen, Brücken, Tunneln, Wasser- und Abwasserleitungen, Strom- und Telekommunikationsnetzen wird Teil eines Gesamtkonzepts für eine intelligente Stadt sein. So könnte beispielsweise intelligenter Staub bereits beim Bau in den Beton eingearbeitet werden.
Lagerbestandsverwaltung: Die Verfolgung von Produkten von der Produktionsstätte bis zum Einzelhandelsregal über Transportmittel (Schiffe und Lastwagen) würde eine strenge Bestandskontrolle gewährleisten.
Medizinische Diagnostik: siehe neuronaler intelligenter Staub oben
Transportwesen: Intelligenter Staub transportiert verderbliche Waren, da diese Materialien eine ständige Überwachung erfordern. Beim Transport verderblicher Waren müssen bestimmte Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit und Belüftung ständig überwacht werden. In ähnlicher Weise hilft Smart Dust dabei, die Gesundheit von Tieren zu überwachen und die notwendigen Bedingungen wie Temperatur, Luft und Feuchtigkeit für einen sicheren Transport zu kontrollieren.
Militärische Anwendungen: Er hilft beim Zugriff auf Aktivitäten in abgelegenen oder unzugänglichen Gebieten. Er kann auch das Vorhandensein von giftigen Gasen oder Schadstoffen feststellen und dabei helfen, die notwendigen Maßnahmen zu ergreifen. Sensornetzwerke auf dem Schlachtfeld.
Erforschung des Weltraums: Wetter, seismologische Überwachung von Planeten und Monden im Sonnensystem. Wissenschaftler erforschen auch eine völlig neue Art von Weltraumteleskop mit einer Öffnung, die aus Schwärmen von Partikeln besteht, die aus einem Kanister freigesetzt und mit einem Laser gesteuert werden. Das Innovative Advanced Concepts Program der NASA finanziert die zweite Phase des “Orbiting Rainbows”-Projekts, bei dem versucht wird, Weltraumoptik und Smartdust oder autonome Robotersystemtechnologie zu kombinieren.
Risiken und Bedenken bei intelligentem Staub
Die breite Einführung von Smart Dust würde eine Reihe von Risiken mit sich bringen:
Datenschutz. Viele, die Vorbehalte gegenüber den Auswirkungen von Smart Dust in der Praxis haben, sind besorgt über Fragen des Datenschutzes. Smart-Dust-Geräte werden so klein sein, dass sie für das bloße Auge unsichtbar sind und daher nur sehr schwer entdeckt werden können. Sie können so programmiert werden, dass sie alles aufzeichnen, wozu ihre Sensoren in der Lage sind (ironischerweise haben Menschen begonnen, freiwillig Geräte zu tragen, die genau das tun). Sie werden wahrscheinlich nicht wissen, wer die Daten sammelt und was er damit macht. Sie können sich ausmalen, welche negativen Auswirkungen es auf die Privatsphäre hat, wenn Smart Dust in die falschen Hände gerät.
Kontrolle. Wenn erst einmal Milliarden von Smart-Dust-Geräten über ein Gebiet verteilt sind, wäre es schwierig, sie bei Bedarf wiederzufinden oder einzufangen. Da sie so klein sind, wäre es schwierig, sie zu entdecken, wenn man nicht auf ihre Anwesenheit aufmerksam gemacht wird. Die Menge an Smart Dust, die von einer böswilligen Person, einem Unternehmen oder einer Regierung eingesetzt werden könnte, um Schaden anzurichten, würde es für die Behörden schwierig machen, sie zu kontrollieren, falls nötig.
Kosten. Wie bei jeder neuen Technologie sind die Kosten für die Einführung eines Smart-Dust-Systems mit Satelliten und anderen Elementen, die für eine vollständige Implementierung erforderlich sind, hoch. Solange die Kosten nicht sinken, wird diese Technologie für viele unerschwinglich sein.
Verschmutzung. Intelligente Staubmotten sind im Wesentlichen Einweggeräte. Solange sie nicht vollständig biologisch abbaubar sind, stellt sich die Frage, ob sie die Gebiete, in denen sie eingesetzt werden (Boden, Luft, Wasser), verschmutzen werden.
Gesundheit. Sobald intelligente Staubpartikel auf die Nanoskala schrumpfen, wird ihr Risikoprofil dem von Nanopartikeln im Allgemeinen und dem potenziellen Gesundheitsrisiko, das mit dem Einatmen oder Verschlucken dieser Partikel verbunden ist, entsprechen.
Rechtliche Fragen. Die mangelnde Sicherheit der von Smart-Dust-Netzwerken erzeugten Informationen führt nicht nur zu Bedenken hinsichtlich des Schutzes der Privatsphäre, sondern auch dazu, dass Dritte unbefugt auf das Netzwerk zugreifen (d. h. es hacken) und seine Informationen für illegale Zwecke nutzen können.
