V blízké budoucnosti vzniknou miniaturní senzory schopné sběru,
zpracování a
bezdrátového přenosu dat.
Představte si, že by bylo možné rozptýlit v nějakém prostoru stovky
miniaturních senzorů, které by měřily teplotu, vlhkost nebo sílu či
frekvenci
vibrací. Takové senzory by umožnily sledovat práci výrobních linek,
chování
lidí v nějakém areálu nebo detailně kontrolovat prostředí ve skladech
chemických látek. Uplatnění by mohly najít v soukromém i ve vojenském
sektoru.
Nejde o žádnou sci-fi na podobných zařízeních se již řadu let
pracuje.
Zařízení označovaná jako "chytrý prach" (smart dust) mají podobu
malých
elektromechanických senzorů (MEMS, microelectromechanical sensor)
schopných
bezdrátové komunikace se svým okolím. Tyto senzory mohou detekovat řadu
veličin
vibrace, vlhkost nebo intenzitu světla.
Díky poslednímu vývoji v oblasti návrhu a výrobních technologií
křemíkových
čipů mohou mít tyto senzory velikost zrnka písku a přesto obsahovat jak
vlastní
senzor, tak i výpočetní obvody, zdroj napájení a podporu komunikační
technologie schopné obousměrného bezdrátového přenosu dat. Tato zrnka
prachu
mohou sbírat množství dat, provést potřebné výpočty a odeslat
informace
prostřednictvím obousměrného radiového spojení navázaného mezi
jednotlivými
zrnky na vzdálenost až 250 metrů.
Pro chytrý prach existuje množství potenciálních komerčních aplikací.
Jde
například o odchytávání chyb při průmyslové výrobě prostřednictvím
zachycení
vibrací, které se nacházejí mimo stanovené pásmo, nebo o sledování
pohybu
návštěvníků ve firmě či pacientů v nemocnici.
Slepé uličky vývoje
Navzdory slibnému vývoji existuje i množství technických překážek,
které brání
skutečně širokému komerčnímu přijetí chytrého prachu. Výzkumníci
například
podle Garyho Feddera, profesora elektrického a počítačového inženýrství
na
Carnegie Mellon University (CMU) v Pittsburgu, bojují s problémem, jak
umístit
senzor MEMS a příslušnou elektroniku na jediný čip.
Fedder, který je spoluzakladatelem laboratoře MEMS na CMU, se snaží
vyřešit
zmíněné problémy prostřednictvím nových návrhových a výrobních
technik, ale
připouští, že jeho laboratoř má před sebou ještě spoustu práce.
"Skvělé by bylo mít jednoho inženýra, který skutečně velmi hluboce
rozumí oběma
druhům těchto systémů, a je tak schopen navrhnout způsob jejich integrace.
To
ovšem podle mého názoru vyžaduje nadlidské schopnosti," říká Fedder.
Fedderova
laboratoř vyvíjí mimo jiné technologie pro nové návrhářské nástroje,
které mají
vývojářům pomoci navrhnout design tohoto druhu systémů.
V praxi
Uvedené technologie mohou mít skutečně velmi významný dopad na celou
společnost, což vývojáře neustále žene vpřed. Rovněž to pomáhá
vysvětlit, proč
agentura DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) začala již v
roce
1998 financovat některé části tohoto výzkumu na univerzitě v Berkeley.
Cílem výzkumníků je dosáhnout stavu, kdy budou čipy chytrého prachu
menší než 1
mm3. Současná "zrnka" mají podle Kristofera Pistera, profesora
elektrického
inženýringu na univerzitě v Berkeley, pracujícího na řešení
problematiky
chytrého prachu od roku 1997, délku hrany okolo 5 mm. Pister je nyní až
do
počátku roku 2004 uvolněn z práce na univerzitě pro práci ve společnosti
Dust,
která se zabývá vývojem peer-to-peer bezdrátových senzorových sítí.
Cílem
společnosti je podle Pistera vyvinout hardwarová a softwarová rozhraní,
která
jsou stabilní, spolehlivá a levná.
Cena inteligentního prachu stále postupně klesá. Ceny se pohybují mezi 50 a
100
americkými dolary za jeden kus, Pister ale předpovídá, že během 5 let
zlevní na
1 dolar.
Pister také vidí spoustu potenciálních komerčních aplikací pro tuto
technologii
podle něj mohou sloužit třeba jako senzory provozu v ucpaných městských
oblastech, pro monitorování spotřeby energie domácích zařízení, aby
se
zjistilo, zda pracují s maximální dostupnou efektivitou, nebo v řadě
dalších
aplikací.
Pister i další poukazují na to, že velikost těchto mikrostrojů
představuje
nemálo problémů mimo jiné s napájením. Za ideální považují
výzkumníci a
vývojáři stav, kdy tato zařízení nebudou závislá na externích zdrojích
energie.
Mnohé tyto systémy dnes pro své napájení používají miniaturní
baterie.
"V baterii máte omezené množství energie. Je třeba ji efektivně využít
a
zařídit, aby byl její zdroj trvanlivý," říká Mike Horton, CEO
společnosti
Crossbow Technology, výrobce technologií pro MEMS. K jejím zákazníkům
patří
mimo jiné jedna kosmetická společnost, která používá bezdrátové senzory
k tomu,
aby udržela určitou úroveň vlhkosti na různých místech svých prodejen.
To je
pro ni nezbytností, protože nabízí produkty citlivé na vlhkost. "Můžete
senzory
také připojit do elektrické zásuvky ve zdi, ale to poněkud popírá
schopnost
využití těchto senzorů jako zcela autonomních jednotek," poznamenává
Horton.
Očekávané průlomy
Výzkumníci se snaží vyřešit problémy spotřeby a efektivní komunikace
především
tím, že se zaměřují na takzvané nízkovýkonové ad hoc směrovací
protokoly.
Jejich prostřednictvím má být možno předat zprávu od jednoho zrnka k
druhému za
použití co nejmenšího množství energie. Výzkum mířící tímto směrem
byl započat
v průběhu posledních dvou let na univerzitě v Berkeley, na MITu a na
Kalifornské univerzitě v Los Angeles.
"Zatím jsme neobjevili univerzální přístup, který by byl vhodný pro
řešení
všech problémů," říká Horton. Osobně podle vlastních prohlášení
věří ve dva
technologické průlomy, které by podle něj neměly být otázkou nijak
vzdálené
budoucnosti. Ty by měly významně ovlivnit napájení a velikost uvedených
zařízení. První z nich by se měl dotknout polovodičových prvků, kdy by
se mělo
podařit dostat několik součástí, které jsou k funkci inteligentního zrnka
písku
třeba, do jedné součásti. To je vývoj, který by podle Hortona neměl trvat
déle
než 2 roky.
A pokud jde o napájení, zde Horton upozorňuje na výzkum Shad Roundyové z
univerzity v Berkeley zabývající se palivovými články, které dokážou
pracovat s
energií až neuvěřitelně úsporně. Jejich činnost zahrnuje využívání
vibrační
energie generované průmyslovými stroji nebo sbírání energie slabého
světla.
"Využití těchto úsporných technologií v praxi může být vzdáleno tak
pět let,"
říká Horton.
Zatímco výzkumníci i komerční vývojáři jsou takřka posedlí
potenciálními
aplikacemi chytrého prachu, velmi opatrně se stavějí k predikci řešení
současných problémů ať už jde o zmiňované napájení nebo o další
části návrhu,
které ještě stále zbývají k dořešení. "Spousta lidí už netrpělivě
přešlapuje
přede dveřmi a touží tuto technologii komercializovat, ale ona musí
nejprve
dospět, takže její velké rozšíření je vzdáleno ještě několik let,"
konstatuje
Fedder.
Multifunkční zrnko prachu
Cílem projektu takzvaného chytrého prachu, na kterém se pracuje na
univerzitě v
Berkeley, je vytvořit zařízení o velikosti okolo 1 milimetru krychlového,
které
bude obsahovat senzory, výpočetní jednotku, technologii pro oboustrannou
bezdrátovou komunikaci a napájecí zdroj. Současně se musí jednat o velmi
laciné
zařízení, jež bude možno nasazovat ve stovkách kusů.