«Умная пыль»: микроботы сбиваются в стаю


Роман Станислава Лема «Непобедимый», описывающий драматическое противостояние землян и кибернетического квази-организма, созданного инопланетным разумом, давно уже стал классикой научной фантастики. Считается, что именно в этой книге польский писатель-футуролог впервые описал концепцию «умной пыли», мириадов мельчайших механизмов, способных к самоорганизации. Сегодня ученые вплотную подошли к созданию микроботов, умеющих образовывать мобильные сети — этим миниатюрным устройствам еще далеко до инопланетных «мушек», описанных Лемом. Но даже на современном уровне развития технологий «умная пыль» может найти немало интересных (и опасных) применений…

21 октября 2015
 
Крупные сети беспроводных датчиков становятся актуальной темой научных исследований. Успехи в области технологии создания аппаратных средств и инженерного проектирования привели к значительному снижению размеров, потребления питания и стоимости цифровых схем, беспроводных коммуникаций и микроэлектромеханических систем (MEMS). Это позволило создать очень компактные, автономные и мобильные узлы, каждый из которых содержит один или более датчиков, вычислительные и коммуникационные средства, а также источник питания. Полноценно использовать эти революционные технологии невозможно, прежде всего, в силу отсутствия соответствующих сетевых технологий. В научной работе, подготовленной исследователями факультета электротехники и информатики Калифорнийского университета в Беркли (Дж.М.Кан (J.M.Kahn), Р.Х.Кац (R.H.Katz), К.С.Дж.Пистер (K.S.J. Pister)), рассматриваются основные элементы технологии «умной пыли» (smart dust) и описываются исследовательские задачи, которые придется решить представителям сообществ, занимающихся мобильными сетями и системами — необходимо обеспечить согласованное соединение большого количества узлов мобильных сетей, расположенных в крайне ограниченном пространстве.

Одним из наиболее заметных проектов, связанных с построением мобильной сети, состоящей из узлов-микродатчиков, является проект Smart Dust («Умная пыль»), реализованный в свое время в Калифорнийском университете в Беркли под руководством профессоров Пистера и Кана. Основной задача проекта состояла в исследовании предельно возможных размеров и потребления питания автономными узлами-датчиками. Снижение габаритов являлось первоочередной задачей — узлы такой сети должны быть максимально дешевыми и простыми в развертывании. Исследователи исходили из того, что они смогут разместить необходимые датчики, средства связи и обработки данных, а также источник питания, в объеме не превышающем нескольких кубических миллиметров. При этом, такие элементы должны демонстрировать высокую производительность, связанную с функциональностью датчиков и средств связи. Эти устройства миллиметровых масштабов и были названы «умной пылью» (smart dust). Возможно, будущие образцы «умной пыли» будут достаточно малыми по размерам, чтобы парить в воздухе, поддерживаемые его потоками, собирать информацию и осуществлять связь на протяжении нескольких часов или даже дней. Как минимум, в научной фантастике такая идея уже упоминалась (роман Нила Стивенсона «Алмазный век»).

Исследование систем на основе «умной пыли» началось буквально вчера. Основная задача этой статьи состоит в представлении некоторых технологических возможностей и вопросов с тем, чтобы привлечь большее количество серьезных исследователей, интересующихся этим чрезвычайно важным направлением.

«Умная пыль»: технологии

Как это обычно бывает в новых научных областях, терминология, связанная с «умной пылью», с одной стороны еще не устоялась, с другой — в обиход научного сообщества, нередко, входят термины, предложенные первопроходцами. На сегодняшний день наиболее часто в англоязычной научной литературе при описании «умной пыли» ее базовые элементы называют mote («пылинка»). В отечественных статьях можно встретить морфологическую передачу термина — «мот» (мн. ч. — «моты»). В этой статье мы будем применять этот вариант, а в качестве синонима — «умная пылинка» (smart dust mote).

На рисунке ниже изображена отдельная «умная пылинка» — мот. В единый корпус интегрированы MEMS-датчики, полупроводниковый лазерный диод и зеркало управления лучом на основе MEMS для активной оптической передачи, кубический уголковый MEMS-отражатель для пассивной оптической передачи, оптический приемник, схема обработки сигнала и управления, а также источник питания на базе толстопленочных аккумуляторов и солнечных элементов. Это устройство замечательно тем, что оно может собирать информацию, коммуницировать и при этом не имеет внешних источников питания.

Основная задача состоит в интеграции всех этих функций при очень низком потреблении питания, а следовательно, максимальном продлении срока службы при ограниченном объеме, предназначенном для хранения энергии. С учетом того, что объем такого устройства должен ориентировочно равняться 1 куб. мм, а в наличии имеются наилучшие на сегодня аккумуляторные технологии, количество хранимой энергии составляет порядка 1 Дж. Если эта энергия используется непрерывно в течение дня, то при грубом расчете потребляемая мотом мощность не может превышать 10 мкВт.

Прогнозируемая функциональность «умной пыли» может быть достигнута только если общая потребляемая мощность мота не превышает нескольких микроватт и при этом используется стратегия бережного потребления энергии (т.е. различные элементы мота потребляют питание только когда оно им необходимо). Если же «умным пылинкам» придется работать в течение нескольких дней, могут быть применены солнечные элементы: подобное решение позволит получать до 1 Дж в день при использовании солнечных лучей, либо около 1 мДж — при работе от источников искусственного освещения.
Мот («умная пылинка») содержит микродатчики, оптический приемник, пассивный и активный оптические передатчики, схему обработки сигнала и управления, а также источник питания
Методы работы датчиков и реализацию обработки данных при низком потреблении питания можно считать хорошо проработанными. Более сложная инженерная проблема — разработка коммуникационной архитектуры, работающей при сверхнизком энергопотреблении. На сегодня наиболее подходящими технологиями для осуществления этой задачи является использование радиоволн или оптической передачи, причем у обеих технологий есть свои преимущества и недостатки. В первом случае проблемой является очень ограниченное пространство для размещения антенн, вследствие чего возможна передача только на очень коротких волнах (т.е. очень больших частотах), а связь в этом режиме не позволяет работать при низком потреблении питания. Кроме того, РЧ-трансиверы являются относительно сложными схемами, что затрудняет снижение энергопотребления до требуемого уровня (несколько микроватт) — потребуются схемы модуляции, полосовой фильтрации и демодуляции, а также дополнительный модуль, в случае если передача сигналов от большого количества мотов должна быть мультиплексирована с разделением по времени, частоте или с использованием кодирования.

Привлекательная альтернатива состоит в использовании оптической передачи (т.н. атмосферная оптическая линия связи, АОЛС). Исследования Кана и Пистера, описанные в статье «Беспроводная связь для “умной пыли”» (V. S. Hsu, J. M. Kahn, and K. S. J. Pister, “Wireless Communications for Smart Dust”, Electronics Research Laboratory Memorandum Number M98/2, 1998), показали, что при использовании АОЛС для передачи одного бита информации требуется значительно меньше энергии, чем в случае применения радиочастотных аналогов. Оптические линии имеют несколько преимуществ, связанных с энергопотреблением. Оптическим приемопередатчикам требуется только одна простая схема аналоговой и цифровой безмодуляционной передачи — и никаких модуляторов, активных полосовых фильтров или демодуляторов. Использование волн короткой длины видимого или ближнего ИК-излучения (порядка 1 микрон) позволяют устройству миллиметрового размера излучать узкий луч (т.е. может быть достигнут высокий коэффициент усиления антенны). Еще одна выгода в использовании таких волн состоит в том, что базовый трансивер (БТ), оснащенный компактным приемником-формирователем изображения, сможет декодировать сигналы, одновременно передаваемые с большого количества мотов, находящихся в «поле зрения» приемника, что, по сути, представляет собой вид мультиплексной передачи с пространственным уплотнением.

Для успешного декодирования одновременных передач требуется, чтобы «умные пылинки» не находились на линии прямой видимости между другими мотами и БТ. Впрочем, такое блокирование маловероятно из-за малых размеров устройств. Второе требование к декодированию одновременно принятых сигналов состоит в том, чтобы изображения разных мотов регистрировалось разными пикселями приемника-формирователя изображений БТ...

Полную версию статьи "«Умная пыль»: микроботы сбиваются в стаю" читайте новом номере Technowars #9.
Номер доступен в приложениях для iOS (iPad и iPhone 5х) и приложениях для устройств на базе ОС Android.

Что еще почитать