В марте прошлого года программа AlphaGo, разработанная Google DeepMind, одержала победу над одним из лучших мастеров го в мире - Ли Седолем (Lee Sedol). Эта серия игр стала показателем того, на что способны нейронные сети. И они находят применение в других (менее глобальных) приложениях, например программах для обнаружения вредоносного ПО или перевода текста на изображениях.

Ожидается, что в ближайшее время стоимость рынка программного обеспечения, использующего возможности глубокого обучения, превысит 1 миллиард долларов. Поэтому исследователи занимаются проектированием специальных чипов, способных справиться с такими приложениями.

Среди них выделяются Google, Nvidia, Qualcomm и др. Но сегодня мы бы хотели поговорить о разработке ученых Мичиганского университета - проекте Michigan Micro Mote - компьютере объемом в один кубический миллиметр.

Генеральный директор SoftBank Масаёси Сон (Masayoshi Son) предположил , что к 2035 году количество гаджетов Интернета вещей достигнет 1 триллиона. Однако у современных устройств, например камер, микрофонов, замков, термостатов, есть недостаток - они не способны анализировать информацию самостоятельно, потому постоянно передают её в облако, затрачивая энергию.

Исследователи из Мичиганского университета поставили перед собой задачу решить эту проблему и сделать умные и маленькие компьютеры с сенсорами для IoT.

«Сложно представить, сколько данных сгенерирует триллион устройств, - говорит профессор Мичиганского университета Дэвид Блааув (David Blaauw). - Создав маленькие энергоэффективные сенсоры, способные проводить анализ «на лету», мы сделаем наше окружение более безопасным и сэкономим электричество»

Тем не менее он является полнофункциональной вычислительной системой, способной действовать как умный датчик. Например, его используют для мониторинга внутриглазного давления.

Удивительно маломощный

Периферия включает в себя контрольный таймер и датчик температуры, но к их числу можно добавить еще 8 сенсоров, в зависимости от требуемого функционала.

Ядро и периферия взаимодействуют с помощью системной шины, использующей простой асинхронный протокол. Большую часть времени процессор Phoenix проводит в режиме готовности. Контрольный таймер, который является осциллятором с низким потреблением тока, «будит» процессор и запускает процесс обработки и сохранения показаний температурного датчика. После выполнения задачи, процессор возвращается в режим готовности и ожидает следующей команды - такой подход позволяет серьезно сократить энергопотребление.

CPU и другие логические модули могут быть отключены от источников питания, когда их услуги не требуются, а вот память (IMEM и DMEM) - нет, поскольку она должна хранить записанные в неё данные. Поэтому модули SRAM остаются главными потребителями энергии. По этой причине разработчики применяют методики, призванные снизить утечки тока, например высокий уровень напряжения на входах транзисторов. С той же целью была увеличена длительность стробирующего импульса.

Чтобы еще сильнее снизить энергопотребление, DMEM работает с так называемым списком свободной памяти. Этот список, управляемый CPU, содержит информацию об используемых строках в памяти DMEM. DMEM имеет 26 переключателей (каждый подключен к 2 строкам), которые выборочно отключают подачу тока в режиме готовности, учитывая состояние списка свободной памяти.

Разработчики также оптимизировали работу CPU с IMEM и DMEM. Для работы с IMEM используется минимальный набор базовых команд. Длина команды ограничена 10 битами, при этом популярные операции используют гибкие способы адресации, а менее популярные - неявные операнды. Также в процессоре имеется аппаратная поддержка сжатия, чтобы максимизировать емкость памяти.

Отображение адресов виртуальной памяти в DMEM выполняется с использованием фиксированного алгоритма Хаффмана. Сама DMEM разделена на статические и динамически определяемые блоки. Каждые 16 байт виртуальной памяти получают одну строку статического раздела. Если запись в память вызывает переполнение, избыток переносится в динамический раздел по указателю.

Что касается встроенного температурного датчика, то его схема представлена на рисунке выше. Температуронезависимый источник тока (Iref) и источник тока, показания которого меняются согласно абсолютной температуре (Iptat), подключены к кольцевому генератору, переводящему температурную информацию в импульсы. Затем эти сигналы поступают на суммирующий счетчик, генерирующий цифровые данные. Поскольку значение температурного датчика сохранять надолго не требуется, он отключается во время простоев, чтобы дополнительно сэкономить энергию.

В своей работе ученые провели тестирование процессора Phoenix и установили, что он потребляет 297 нВт в активном режиме и всего 29,6 пВт в режиме готовности.

Из чего сделан «бутерброд»

Помимо солнечных батарей, устройство состоит из управляющего модуля, радиомодуля, интерфейса сенсорной системы, самого процессора, батареи и элемента регулирования мощности.

Слои общаются между собой с помощью специально разработанного универсального интерфейса, названного MBus. При этом ученые могут просто заменить один из слоев на другой, реализовав новый тип следящего устройства. Такой дизайн значительно снижает стоимость производства.

Путь в микробудущее

«Сейчас мы работаем над улучшением технологии обмена сообщениями между компьютерами, - говорит Блааув. - Пока что нам удалось достигнуть расстояния в 20 метров. Это серьезное улучшение, поскольку первые версии устройства могли передавать информацию лишь на 50 сантиметров»

Камнями преткновения к расширению зоны покрытия остаются размер антенны и необходимость увеличения мощности для передачи информации на большие расстояния, что сказывается на энергопотреблении.

Исследователи предпринимают и другие шаги к улучшению микрокомпьютера. Например, они постоянно совершенствуют память устройства - предыдущие поколения Micro Mote использовали лишь 8 килобайт SRAM, что делало их непригодными для обработки звука и видео. Поэтому команда ученых снабдила новые компьютеры флеш-памятью в 1 мегабайт.

Более того, одно из устройств Micro Mote, представленных на ISSCC, имело на борту процессор для глубокого обучения. Микрогаджет оказался способен управлять нейронной сетью, потребляя при этом всего 288 мкВт. Обычно такие задачи требуют больших банков памяти и вычислительных мощностей, предоставляемых современными GPU.

Блааув говорит, что их стартап CubeWorks уже занимается прототипированием устройств и исследованием рынков. Ученые надеются, что через 2 года появятся камеры наблюдения, способные вычислить разыскиваемого правонарушителя прямо среди проходящих мимо людей, и другие умные устройства из мира IoT.

"Мыслящий тростник" — известное словосочетание, которое, характеризуя совокупный умственный потенциал человечества, сформулировал знаменитый французский философ, естествоиспытатель и писатель Блез Паскаль. Сегодня, похоже, для коллективного искусственного интеллекта американскими исследователями придумано новое схожее определение — "умная пыль"!

Заметим, что само понятие "умная пыль" — smartdust введено в научный обиход американским ученым Кристофером Пистером из Калифорнийского университета еще в 2001 году. Впрочем, еще до этого, а именно в 1992 году, в США под эгидой ДАРПА было создано бюро "Microsystems технологическое бюро" (МТО) целью которого являлось создание компактных микроэлектронных и фотонных устройств, таких как, например, микропроцессоры, а также различного рода микроэлектромеханических систем. Работы велись очень активно, в результате чего в Национальной лаборатории Сандиа в тех же 90-х годах была создана модель робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle), объемом всего лишь около одного кубического дюйма.

Дальше, как говорится — больше и уже в 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре раза! Причем, несмотря на свои размеры "машинка" имеет процессор с памятью 8 Кбайт, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор. В дальнейшем планировалось оборудовать этого робота беспроводной связью, чтобы несколько таких микророботов могли бы объединяться для решения какой-нибудь общей задачи.

Ну, а нужна она, например, может быть для того, чтобы (как это предполагают американские военные) в виде облака окутать, скажем, танк, затем проникнуть через щели и неплотности внутрь машины, ну, а потом по команде взорваться! Добавив такие микродатчики в краску, которой окрашивают самолеты, мы получим возможность получать сведения о состоянии его поверхностей. А если они будут в краске внутри помещений, то они смогут сигнализировать о пожаре, задымлении и даже превышении объемов содержания углекислоты. Конечно, подобная краска будет существенно дороже обычной, так что ее использование в жилых помещениях дело не слишком-то и близкого будущего, но вот на атомных подводных лодках и электростанциях ее вполне можно применять буквально уже завтра — дело лишь за "малым" — создать такие микроустройства и обеспечить им питание. Кстати, образец, размером в один кубический миллиметр, снабженный сенсором температуры, движения и радиопередатчиком сигналов, уже существует. А что такое один миллиметр?!

Очень заманчиво, считает Джошуа Смит, руководитель Лаборатории сенсорных систем при Вашингтонском университете в Сиэтле, покрыть все вокруг такими датчиками и дать им команду отслеживать интересующие нас явления и объекты. Но тут встает проблема их энергетического обеспечения. Впрочем, над этой проблемой сегодня тоже работают, причем сразу в нескольких направлениях. Это могут быть и крошечные солнечные батареи, расположенные прямо на "спине" у этих крошечных роботов, и также термоэлектрогенераторы, преобразующие тепло в электрический ток.

Работы над "умной пылью" идут не только за границей, но и в России. В частности, ученые из Таганрогского государственного радиотехнического института создали математическую модель, позволяющую в принципе понять и как управлять облаками таких микророботов, и как они должны все вместе действовать, чтобы выполнить поставленную задачу. Первоначально они образуют единую массу, которая и получает задание от управляющего компьютера. Каждый робот, определяя свои координаты и координаты цели, прежде всего, узнает, сколько роботов находятся к ней ближе всего и достаточно ли их для выполнения полученной задачи. Если "да", то он ищет другую цель, если "нет" — то устремляется к объекту. Таким образом, из роботов формируются группы, каждая из которых будет выполнять свою задачу.

Красивое решение, что и говорить, вот только оно, как это очень часто бывает в науке, порождает уже совершенно другую проблему. Дело в том, что связь этих микропылинок с центром управления и друг с другом потребует огромных энергозатрат. Впрочем, выход вроде бы тоже уже найден, причем доктором Джоном Байкером из Центра наноэлектроники в Глазго. По его мнению, информацию от одного робота к другому можно передавать по цепочке, что существенно сократит расходы энергии.

Новое поколение устройств smartdust («умная пыль») откроет возможность для беспроводного сбора данных в режиме реального времени, что приведет к изменению представлений об инженерных системах, здравоохранении, взаимодействии с окружающей средой. Как появились такие устройства, и что пока сдерживает их развитие – в материале журналиста Леонида Черняка, подготовленном специально для TAdviser.

В начале 90-х годов XX века совместными усилиями американского оборонного агентства DARPA и компании Rand Corporation были созданы первые автономные информирующие устройства mote (пылинка, частица) размером со спичечный коробок. Они состояли из датчиков, снимающих те или иные показатели окружающей среды, компьютера, передатчика и устройства питания (от сети, батарей или солнечных элементов).

Эти mote предназначались исключительно для военных и разведывательных целей, но уже спустя 5-7 лет, в результате начавшейся тогда «сенсорной революции», появились аналогичные устройства гражданского назначения. Тогда же родилось современное название технологии smartdust (умная пыль), а ее отдельный компонент по-прежнему называется mote. Вышедшие из под контроля спецслужб mote задумывались для разнообразных целей, например, для контроля за сложными инженерными сооружениями, прежде всего мостами, деградирующими в процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (осадки, ветер, температура, вибрация, соль, вызывающая коррозию). Возможно, из-за отсутствия такого контроля произошло обрушение моста в Генуе в августе 2018 года. В постоянном мониторинге нуждаются ледники, леса, вулканы, океан и все остальное.

Экспериментальные экземпляры mote начала двухтысячных выглядели примерно так, как показанное на рисунке ниже устройство. Оно изготовлено в университете Беркли, академическом центре нового движения. Лидером направления стал профессор Кирс Пистер, известный своими работами в области микро электромеханических устройств и основатель компании Dust Networks. Энтузиазм создателей и традиционное для Беркли леворадикальное настроение породили лозунг: «Датчики всего мира – объединяйтесь!» Аналитики заинтересовались новацией и Gartner , не раздумывая, поместила smartdust на стартовую позицию в своей кривой хайпа в 2003 году с перспективой на реализацию через 10 лет

А задуматься было о чем. Идея умной пыли настолько же очевидна, настолько сложна в реализации. Неслучайно в следующий раз технология smartdust появлялась на гартнеровской кривой только в 2013 году. Зато с 2015 она каждый год помещалась в самой начальной точке с более чем десятилетней перспективой на достижение технологии зрелости. Основной причиной неоднократного отката на прежнюю позицию оставалась недостаточная подготовленность сетевых и коммуникационных технологий.

До последнего времени весьма специфические «пыльные сети» оставались совершенно оригинальны. Они создавались в отрыве от других типов сетей, но отнюдь не из-за стремления к самобытности. Это была вынужденная мера, поскольку ничего соответствующего их требованиям на рынке не было.

Исходной точкой для подхода к сети mote служит тот факт, что по определению мощность передатчика каждого отдельно взятого устройства ничтожно мала. В результате для создания сети была выбрана беспроводная технология Multi-hop, в основе которой лежит цепочечный принцип, а именно, каждый из узлов служит ретранслятором для остальных. Топология full-mesh гарантирует надежность и отказоустойчивость. Внутри сети передача данных осуществляется по собственному (проприетарному) протоколу TSMP (Тime Synchronized Mesh Protocol), разработанному компанией Dust Networks, а далее через шлюз сеть подключается к интернету. Для компании, насчитывающей полсотни работников, это достижение.

За полтора десятилетия размеры mote сократились до нескольких кубических миллиметров, а стоимость - до $10 и ниже. Но этого пока недостаточно для массового распространения smartdust, поскольку остается вопрос коммуникации. Ситуация может принципиально измениться с появлением технологий мобильной связи пятого поколения Bluetooth 5.0 и . В этом случае отпадает необходимость в отельной сети, а каждый mote может быть подключен непосредственно к интернету.

Новое поколение smartdust откроет возможность для беспроводного сбора данных в режиме реального времени, что приведет к изменению наших представлений об инженерных системах, здравоохранении, взаимодействии с окружающей средой. Миллиарды, если не триллионы устройств, способных к передаче данных и к взаимодействию по обратной связи смогут передавать по запросам самые разные доступные физические и химические показатели окружающей среды. Устройства могут получать питание от батарей, извлекать энергию из среды (вибрации, свет). Они могут быть распложены в любых самых труднодоступных местах. Есть основания полагать, что smartdust, как всеобъемлющее явление, со временем поглотит интернет вещей (IoT) , символ Четвертой промышленной революции .

По аналогии с WWW (World Wide Web) можно сказать, что средствами smartdust мир превращается в единый Real World Web. Пока сложно представить себе жизнь, где информированность безгранична, где мы будем узнавать все от тривиального сообщения о необходимости замены зубной щетки до получения достоверных сведений обо всех остальных инженерных и природных объектах.

Однако миру полной информационной открытости угрожает эффект Большого брата, описанный Джеймсом Оруэллом в романе «1984». Об этой опасности обычно вспоминают, говоря о социальных сетях, и во многих других случаях соприкосновения людей с различными формами слежения за ними. Поэтому одной из главных задач будущих технологий smartdust станет сохранение частного пространства (privacy).

После 2013 года поднялась пока еще скромная по своим масштабам волна создания стартапов, подготавливающих поле для своего участия в smartdust. Большая часть из них не поднялась до системного уровня Dust Networks, идя другим путем, и ставя перед собой ограниченные задачи, позволяющие оправдать вложенные в них средства. Например Koto Air (Словения), QwikSense (Голландия), Wynd Technologies и Birdi (обе ) предлагают системы для контроля за состоянием атмосферы в домах, учебных заведениях и больницах. Американская CivicSmart – управление парковкой.

Очевидно, что эти компании делают заготовку на будущее, решая частные задачи, они подспудно разрабатывают датчики, рассчитанные на подключение по каналам связи пятого поколения. Но есть и компании с более серьезными целями, среди них Cubeworks (США), выпускающая сверхминиатюрные датчики и платформу Cubisens для сбора информации и хранения данных.

Датчик CubeWorks состоит из четырех компонентов, размещенных на одном кристалле:

• Процессор ARM Cortex M0 и память 4 Кбайт
• Зарядное устройство
• Радиопередатчик
• Датчик

Потребление энергии в режиме готовности составляет 8 нВт. При передаче оно возрастает, но зарядное устройство, отдающее 10 нВт с 1 квадратного миллиметра в условиях комнатного освещения, в сочетании с батареей обеспечивают неограниченно долгий период работы.

Крупные вендоры тоже проявляют внимание к smartdust, прежде всего IBM . Корпорация традиционно развивала логически близкую к smartdust тему всепроникающего компьютинга. Однако теперь она, вероятно, разворачивается в сторону smartdust.

Голубой гигант все делает не быстро. Народная мудрость гласит, что IBM начинает осваивать сегмент рынка только в том случае, если он больше миллиарда. Видимо пока корпорация в ожидании, но явно на старте.

Ключевой момент для smartdust - дешевый и производительный процессор. Его можно сделать при условии массового производства, поэтому в порядке подготовки к будущему на конференции Think 2018 корпорация объявила о самом маленьком в мире компьютере. Его размер - 1 кв. мм. Несмотря на миниатюрность, по мощности он сравним с Intel 8086. А в этом квадратном миллиметре, помимо процессора и памяти, есть питающий устройство фотоэлемент и встроенная пара фотодиод/фотодетектор, обеспечивающая оптическую связь с внешним миром. Стоимость устройства при массовом производстве составляет менее 10 центов.

Преемники этого компьютера, но поддерживающие связь по радиоканалу, смогут стать базисом для будущих устройств smartdust. А до тех пор автономный компьютер с оптической связью может выполнять функцию метки, удостоверяющей подлинность товара. Подделать ее невозможно, а считать данные посредством смартфона ничего не стоит. Массовое производство такого рода меток станет заделом для smartdust в обозримом будущем.

Понятие умной пыли (smartdust) ввел Кристофер Пистер из Калифорнийского университета Беркли в 2001 году.

Не совсем привычным для высоких технологий термином «умная пыль» называются миниатюрные сенсоры, которые обладают возможностями вычислений и беспроводной связи, а также памятью для хранения данных и чувствительными элементами для измерения параметров окружающей среды.
«Умная пыль» прекрасно подходит для организации беспроводных сетей, в которых узлы связываются друг с другом по мере надобности. Такая сеть обладает распределенными вычислительными возможностями, полоса пропускания сети растет с ростом ее размеров. Помимо собственно сенсоров, сенсорные сети включают в себя и некоторое количество «шлюзов». Последние нужны для того, чтобы собирать, обрабатывать и направлять дальше информацию с окружающих их сенсоров. На первом этапе развития концепции «умной пыли», создатели сенсоров усиленно стремились к уменьшению их размеров. Однако, опыт их внедрения показал, что миниатюризация не всегда приветствуется в промышленности. Поэтому первые образцы «умной пыли», созданные корпорацией Intel, представляют собой платы размером 3 х 3 см.
Еще одно, уже реализованное применение новых сенсоров, – контроль за системами водоснабжения. Сенсоры устанавливаются на водопроводных трубах и сигнализируют о дрожании трубы, о влажности окружающей среды специальному шлюзу, расположенному где-то на фонаре или на доме в пределах досягаемости беспроводной связи сенсоров. Энергопитание сенсоров – от батареек, а шлюзов – от сети. В Бостоне такая сеть уже успешно эксплуатируется.

Сейчас создается второе поколение сенсоров «умной пыли». В их основе — 32-битный процессор XScale, а для сжатия информации используется специальный процессор, так же как и для обеспечения безопасности. Размеры новых сенсоров меньше, чем у предыдущего поколения почти в два раза. В новых сенсорах – большая RAM и FLASH-память и они могут работать на основе операционной системы Linux. Кроме этого, они обладают высокоскоростными возможностями ввода информации, например, с видеокамер.

Отдельное направление исследований – вопрос энергопитания. Есть, например, проекты питания сенсоров от солнечных батарей размером 10х10 см. Исследуются возможности преобразования вибрации механизмов в электроэнергию. С помощью сенсоров нового поколения планируется реализовать свою идею «проактивных, или упреждающих вычислений».
До сих пор компьютеры делают только то, что им говорит человек. А вот в будущем, наши ПК будут сами предугадывать наши потребности и самостоятельно действовать в наших интересах. Компьютер будет анализировать текущую обстановку, производить упреждающие вычисления и предлагать нам те или иные варианты возможных дальнейших действий, а в ряде случаев даже будет действовать сам, освобождая нас от необходимости совершения рутинных процедур.

Сенсорные сети, состоящие из множества самостоятельных миниатюрных автономных устройств, обладающих возможностями беспроводной связи, будут способны самоорганизовываться в сети и взаимодействовать друг с другом и с «центром», обладая при этом внушительным запасом надежности.

Умная пыль для войны

Концепция «умной пыли» позаимствована из повести Станислава Лема «Непобедимый» и еще недавно рассматривалась как дело далекого будущего. В ее основе лежит идея микроробота — механизма, размер которого исчисляется миллиметрами, а то и микронами. Одиночный микроробот, как и один муравей, практически ни на что не способен. Однако множество их, собранных в одном месте, становится похожим на семью из миллиардов тропических муравьев, уничтожающих все живое на своем пути.

Один из возможных способов ее применения, который придумали американские военные, — поражение танков противника: облако микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается. Либо физическое уничтожение сил противника с помощью микрозарядов взрывчатки. Будучи сброшенными с самолета (естественно, беспилотного) облако само автоматически ищет цели, разделяется на кластеры необходимого для их поражения размера, облепляет их, проникнув в незащищенные места, синхронно подрывается. Получившийся объемный взрыв сжигает системы управления техникой и опустошает самые защищенные бомбоубежища с максимальной эффективностью, недоступной обычным видам вооружения.

Более мирное применение, к примеру, разведка местности и шпионаж, требует гораздо более сложных программных алгоритмов и возможности использования сложных средств наблюдения и связи. Поэтому, по прогнозам специалистов, оно станет осуществимо с помощью умной пыли не ранее, чем в 2014-2017 гг. Сценарий действий здесь будет следующим. Распыленное в окрестностях важного объекта облако незаметно перемещается в его сторону, попутно выбирая оптимальные места для размещения специализированных субоблачков. Облако видеонаблюдения, каждая пылинка которого представляет собой отдельный пиксель матрицы с интерфейсом связи с соседями, стремится занять лучшую позицию для большего обзора пространства. Жучки (или, возможно, «мошки») устанавливают контроль за звуками. Самая сложная часть, передача информации в штаб разведки, в ближайшее время вряд ли сможет обойтись без засылки агента с устройством, считывающим ее как в современных RFID-системах.

А что в России?

В апреле 2007 года руководитель наноцентра Московского энергетического института Андрей Алексенко сообщил о ведущихся в России разработках нанооружия. По его словам, главное достоинство этого оружия в том, что «против него нет другой защиты кроме нанозащиты». Суть работы над ним российских ученых он не стал уточнять, сославшись на секретность разработок.
России для обеспечения национальной безопасности необходимо заниматься разработкой нанотехнологий двойного назначения. По его мнению, подобные разработки помогут в охране границ, а также защите от техногенных катастроф. Наконец, так называемая «умная пыль» — это полное обследование территории, но это возможно только при развитии современной микро- и наноэлектроники.

В свою очередь Путин, еще будучи президентом, поручал в 2007 году первому вице-премьеру правительства Сергею Иванову контролировать правильность расходования государственных средств, выделяемых на развитие наноиндустрии. «Это то направление деятельности, на которое государство не будет жалеть никаких средств», — заявлял президент, выступая на совещании в научном центре «Курчатовский институт».

Путин тогда еще подчеркнул, что государство «предоставляет большие деньги» на эти цели, и «нужно их вкладывать так, чтобы они использовались эффективно и давали отдачу». «Очень важно также знать цели», — отметил Путин и далее сам перечислил их: «Нанотехнология, безусловно, будет ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверхэффективного как наступательного, так и оборонительного вооружения, а также средств связи».

В Британии объединили в рой 50 устройств.

Свои разработки в это области представили недавно британские ученые. Их научный интерес сосредоточился в области исследования иных планет: «умные» устройства размером с песчинку, которые будут разлетаться по ветру, могут помочь, в частности, в изучении Марса.
Такие устройства будут представлять собой компьютерный микрочип, покрытый пластиковой оболочкой, которая сможет менять свою форму при подаче электрического импульса и таким образом двигаться в направлении, определенном оператором. Электронную «пыль» можно помещать в носовую часть космических зондов и выпускать в атмосфере других планет, где они будут разноситься ветром.

С результатами разработок в этой области эксперты из университета Глазго в Шотландии познакомили коллег на собрании Национальной ассоциации астрономов. Доктор Джон Баркер, профессор Центра исследований в области наноэлектроники в Глазго, говорит, что при помощи беспроводных сетей из таких микроустройств радиусом в миллиметр можно будет в случае необходимости формировать рои. По словам Баркера, чипы подходящего размера и устройства существуют уже сегодня.

Если при помощи определенного электрического заряда полимерную оболочку такого устройства «сморщить», то пылинка станет подниматься выше, а если расплющить, то она пойдет вниз. А беспроводные сети позволят сбивать микроустройства в «стаи», и доктор Баркер с коллегами создали математическую модель этого процесса.

«Мы убедились в том, что большинство частиц могут «разговаривать» только с ближайшими соседями, но когда их много, они могут общаться на куда больших расстояниях, — объяснял шотландский ученый. — В ходе моделирования мы добились объединения 50 устройств в единый рой — и сумели это сделать, несмотря на сильный ветер».

Ученые уже продемонстрировали возможности «умной пыли», в которой — в объеме несколько кубических сантиметров — умещаются датчики, источники энергии, устройства цифровой связи и сетевые ячейки. Но если их применять для исследования других планет, то им нужны будут сенсоры, а нынешние химические сенсоры слишком велики, чтобы уместиться в летающую электронную «песчинку». Исследователи надеются, однако, что уже в ближайшие десятилетия появятся датчики куда меньших размеров.

В апреле 2007 года Джон Баркер изучил возможность исследования поверхности Марса с помощью множества миниатюрных беспроводных датчиков, «умной пыли», которые могут перемещаться по поверхности от одной точки к другой, изменяя свою форму. Д-р Баркер разработал компьютерную модель, с помощью которой рассматривал перемещение 30 тыс. миниатюрных датчиков по поверхности Марса. Каждый прибор в модели мог определять свое местоположение, а также изменять свою форму, меняя гладкую поверхность на неровную и наоборот. Датчики гладкой формы легко могут подхватываться и переноситься марсианским ветром, а, приобретая неровную форму, они снова попадают на поверхность Марса за счет увеличения сопротивления среды. Таким образом, изменяя форму приборов, можно управлять их движением. Результаты расчетов показали, что около 70% датчиков смогут успешно преодолеть заданный маршрут длиной 20 км.

Между тем, межпланетные исследования — далеко не единственная сфера применения «умной пыли». В числе других может быть использование микроустройств для сбора информации на поле боя или их внедрение в цемент с тем, чтобы изнутри наблюдать за «здоровьем» мостов, зданий и других сооружений.

Русское решение.

Впрочем, у роботов могут быть и мирные задачи, например исследование околоземного пространства с помощью стаек микроспутников. При этом возникает сложная проблема: как одновременно управлять множеством механизмов. Представим себе, что десятками тысяч роботов нужно управлять из одного центра. Там должен стоять мощный сверхкомпьютер, способный отследить положение каждого робота и дать ему инструкцию. Это требует огромных затрат времени, а кроме того, весьма небезопасно: управляющий центр может выйти из строя. Значительно проще дать возможность каждому роботу принимать самостоятельные решения и координировать свои действия с действиями соседей.

Алгоритм действия, придуманный российскими исследователями из Таганрогского радиотехнического института в 2003 году, таков. Сначала роботы образуют единое облако. Ему сообщают координаты целей. Каждый робот, зная свои координаты и координаты целей, выбирает ближайшую цель и принимает решение, стоит ли к ней двигаться. Для этого он узнает, сколько роботов уже направилось к этой цели. Если их число вполне достаточно, он начинает искать другую цель или остается в резерве. Если — нет, принимает решение об атаке, о чем и оповещает соседей. Так облако весьма быстро распадается на фрагменты, кластеры, которые перемещаются к своим целям.

Процесс кластеризации необходимо периодически возобновлять. Это нужно, чтобы учесть изменения оперативной обстановки. Например, если какой-то робот выбыл из игры, облако должно об этом узнать и быстро заменить его резервным. Точно так же нужно учитывать изменения координат цели — она может слишком сильно удалиться от каких-то роботов кластера. Значит, нужно будет к нему подтянуть дополнительные силы.

Компьютерное моделирование показало, что предложенный подход очень эффективен, а алгоритм принятия решений микророботами столь прост, что его легко воплотить в маленьких электронных мозгах этих миниатюрных созданий. Кроме того, вся процедура оказывается чрезвычайно гибкой, способной быстро учитывать и потери микророботов, и изменения в поведении целей.

США уже активно испытывают «умную пыль».

Разработками так называемой «умной пыли» занимаются и в США. Еще в 2002 году директор исследовательского отдела Intel в Калифорнийском университете в Беркли Ганс Малдер сообщил, что они представляют собой «микроскопические устройства-сенсоры с автономным питанием, обладающие функцией беспроводной связи». По его словам устройства уже существуют и более того, проходят испытания.

В будущем тысячи этих дешевых беспроводных сенсоров, размещенных в самых различных местах, будут самостоятельно объединяться в сети и работать от встроенных источников питания в течение нескольких лет. Пока же сенсорные сети могут состоять всего из нескольких сотен «пылинок», поскольку эти устройства остаются слишком дорогими, а длительность их работы исчисляется всего несколькими днями. По словам Малдера, главным препятствие к массовому распространению сенсорных сетей является дороговизна источников питания, которые обходятся примерно в $150.

Американские военные планируют потратить миллиарды долларов на внедрение в практику «умной пыли». Как они считают, дело того стоит - сброшенная на территорию противника «умная пыль», состоящая из нанороботов, способна нанести врагу великий урон. Роботы будут воспроизводить себе подобных из подручного материала и шпионить, передавая информацию в главный компьютер, а по команде из Центра пойдут в наступление: проникнут в тела вражеских солдат (убивая их или просто обездвиживая), остановят любой двигатель, переориентируют любой сигнал или же просто взорвутся, уничтожая технику и живую силу на огромной территории. Малдер сообщил, что американские ученые разработали несколько сенсорных сетей на принципе «умной пыли». Одна сеть проходит «боевые» испытания в Афганистане, где вооруженные силы CША разместили несколько тысяч сенсоров с целью отслеживания передвижений боевой техники. Другая сеть используется на острове Дикой утки в штате Мэн, где с ее помощью ученые изучают миграцию буревестников, еще одна — в составе системы симулятора землетрясений в Беркли.

«Умная пыль» уже в продаже

Компания Dust Networks, техническим директором которой является Кристофер Пистер (Kris Pister), один из пионеров концепции «умной пыли» — распределенных сетей сверхмалых устройств, поддерживающих беспроводной обмен данными — представила рынке свой первый продукт. Первый тестовый комплект «умной пыли» под названием SmartMesh состоит из 12 миниатюрных устройств, называемых «пылинками». Цена всего комплекта, включающего сами устройства и ПО, составляет $4950 тыс.

Устройства связаны беспроводными линиями передачи и могут передавать данные с сенсоров, контролирующих температуру, скорость ветра, влажность либо иные параметры. Фактически они представляют собой беспроводные роутеры с батарейным питанием. С их помощью можно создавать, например, системы управления производственными процессами либо охранные системы. Скорость обмена данными у «пылинок» относительно низка, что позволяет обеспечить низкое энергопотребление и питание от автономных источников. Это, в свою очередь, позволяет существенно снизить стоимость эксплуатации систем на их основе, поскольку отпадает необходимость в проводке сетей электропитания, а также обеспечивает беспрецедентную гибкость системы.
SmartMesh представляет собой «слой», позволяющий организовать обмен данными между двумя другими «слоями» — датчиками, с одной стороны, и информационной системой, в рамках которой они функционируют, с другой. Каждая «пылинка» представляет собой узел беспроводной сети обмена данными с ультранизким энергопотреблением. Передача данных осуществляется от узла к узлу, аналогично тому, как происходит передача пакетов в сети интернет — за исключением того, что в системе умной пыли применяется вместо TCP/IP, ставшего фактическим промышленным стандартом, иной протокол передачи данных. Еще одно отличие — в том, что разработана технология, позволяющая держать устройства в выключенном состоянии большую часть времени. «Если держать радио все время включенным, — резонно отмечает Крис Пистер, — батарейки протянут лишь считанные недели». Новая технология позволила добиться ошеломляющего результата — отдельная «пылинка» на батарейках АА без их замены может проработать три года. Программное обеспечение Business 2.0, поставляемое в комплекте с «пылинками», позволяет им самим организовать сеть и обеспечить столь низкое энергопотребление.

По мнению авторов разработки, по мере того как концепция «умной пыли» будет получать все более широкое распространение, производители станут оснащать датчиками буквально каждую деталь, устройство и каждое помещение, что откроет возможность контроля и управления за широким спектром технологических процессов или, к примеру, за энергопотреблением, в режиме реального времени. Это позволит, в частности, повысить эффективность производства, создать более надежные охранные системы (оснастить датчиками вибрации весь охраняемый периметр) и улучшить урожайность полей (разместив датчики влажности и кислотности в почве у каждого растения).
Воплощение идеи «умной пыли» в жизнь потребовало немалых инвестиций. Dust Networks на ее разработку получила в общей сложности более $7 млн. от таких компаний, как Foundation Capital, Institutional Venture Partners. Одной из них стала In-Q-Tel — венчурная компания, финансируемая ЦРУ. Данных о том, во сколько обойдутся заказчикам большие промышленные сети «умной пыли», Dust Networks пока что не приводит.

Недалекое будущее.

Вообще же, сценариев, в которых могли бы быть рационально использованы сенсорные сети, великое множество: от наблюдения за состоянием виноградника (влажность, температура, зрелость, наличие вредоносных насекомых) до полноценной системы обеспечения безопасности, которая сможет контролировать буквально все: от наличия нарушителей в подконтрольной зоне до мониторинга атмосферы на предмет радиации и ядовитых веществ. В идеале же в будущем сенсорами будет оборудовано все - от городских зданий и автомобилей до тела человека.

Американские физики открыли, что нанотрубка резонирует с радиополем. На базе этого они построили приемник, который может принимать сигналы извне на частоте порядка 300-400 мегагерц, то есть радиодиапазон трубки можно настраивать. Трубка служит и антенной, и приемником. Следующая задача для сенсорных сетей в перспективе – это их внедрение на микро- и наноуровне. В организм человека, в здание, в сооружение и так далее. Лет через десять нанотехнологии с нанопередатчиками войдут в нашу повседневную жизнь.

Американские учёные сделали важный шаг к созданию «сообразительной» пыли, которая, в свою очередь, является ещё одним шагом к созданию микророботов. Да-да, шаг к шагу. Ума у пылинок пока немного, но вполне достаточно, чтобы играть роль детекторов. Познакомимся со «Smart Dust» поближе.

«Умные» микроскопические частички сфабриковала группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора (Michael Sailor) из университета Калифорнии в Сан-Диего (University of California, San Diego — UCSD).

«Эти пылинки — ключ к разработке роботов размером с песчинку. В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах, вроде вен или артерий, к определённым целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию о них во внешний мир, — заявил Сэйлор, отчего-то не стремящийся называть свою работу нанотехнологиями.

— Такие устройства могли бы использоваться, чтобы контролировать чистоту питьевой или морской воды, обнаруживать опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже находить и уничтожать повреждённые клетки в организме человека».

Профессор Сэйлор родился в 1961 году в Калифорнии.

Создание «умной» пыли – это комбинация электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале берётся кремниевый чип, из которого гравировкой химикатами получается пористая фотонная структура. Затем эта структура модифицируется, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало – красное с одной, зелёное с другой. Наподобие светофора.

«Сообразительные» частички облепили каплю масла. Всё понятно — это масло (фото UCSD).

Стороны пористой зеркальной поверхности учёные наделили практически противоположными свойствами. Одна — гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая — гидрофил, привлекательная для воды. Вот такой получился кремниевый чип.

После того, как зеркальный чип разрушается ультразвуком, от него остаются микроскопические частички диаметром с человеческий волос. И каждая часть теперь — крошечный датчик. Семейство самоорганизующихся сенсоров.

Схема получения пыли из кремниевого чипа (иллюстрация UCSD).

При появлении воды пылинки начинают себя вести подобно избушке на курьих ножках, «гидрофилической» красной стороной поворачиваясь в воде, а зелёной «гидрофобической» к воздуху. Когда же в «игру» вступает маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобической» стороной.

«Smart Dust» в пузырьке (фото АР).

Ну, а поскольку стороны разноцветные, по окраске можно определить, что творится в этой «пыльной» среде. По словам Сэйлора, частицы могут быть запрограммированы на миллионы всевозможных реакций, что даёт возможность обнаружить присутствие тысяч химикалий одновременно.

Длины волн света или цвета, отражённого от поверхностей пылинок после того, как поры отреагируют на химического или биологического агента — это своего рода штрих-код.

В то время как каждая частичка слишком мала, чтобы по её цвету определить изменения, коллектив из сотен или тысяч пылинок уже достаточно заметен для лазера с 20 метров.

Структура пылинок при самом ближайшем рассмотрении (иллюстрация UCSD).

В UCSD поставили себе цель разглядеть изменения с расстояния в километр.