Роман Станіслава Лема «Непереможний», що описує драматичне протистояння землян і кібернетичного квазі-організму, створеного інопланетним розумом, давно вже став класикою наукової фантастики. Вважається, що саме в цій книзі польський письменник-футуролог вперше описав концепцію «розумного пилу», міріад найдрібніших механізмів, здатних до самоорганізації. Сьогодні вчені впритул підійшли до створення мікроботів, які вміють утворювати мобільні мережі - цим мініатюрним пристроїв ще далеко до інопланетних «мушок», описаних Лемом. Але навіть на сучасному рівні розвитку технологій «розумний пил» може знайти чимало цікавих (і небезпечних) застосувань ...
Великі мережі бездротових датчиків стають актуальною темою наукових досліджень. Успіхи в області технології створення апаратних засобів і інженерного проектування привели до значного зниження розмірів, споживання харчування і вартості цифрових схем, бездротових комунікацій і мікроелектромеханічних систем (MEMS). Це дозволило створити дуже компактні, автономні і мобільні вузли, кожен з яких містить один або більше датчиків, обчислювальні і комунікаційні засоби, а також джерело живлення. Повноцінно використовувати ці революційні технології неможливо, перш за все, в силу відсутності відповідних мережевих технологій. У науковій роботі, підготовленій дослідниками факультету електротехніки та інформатики Каліфорнійського університету в Берклі (Дж.М.Кан (JMKahn), Р.Х.Кац (RHKatz), К.С.Дж.Пістер (KSJ Pister)), розглядаються основні елементи технології «розумного пилу» (smart dust) і описуються дослідницькі завдання, які доведеться вирішити представникам спільнот, що займаються мобільними мережами та системами - необхідно забезпечити узгоджене з'єднання великої кількості вузлів мобільних мереж, розташованих у вкрай обмеженому просторі.
Одним з найбільш помітних проектів, пов'язаних з побудовою мобільної мережі, що складається з вузлів-мікродатчиків, є проект Smart Dust ( «Розумна пил»), реалізований в свій час в Каліфорнійському університеті в Берклі під керівництвом професорів Пістера і Кана. Основний завдання проекту полягала в дослідженні гранично можливих розмірів і споживання харчування автономними вузлами-датчиками. Зниження габаритів було першочерговим завданням - вузли такої мережі повинні бути максимально дешевими і простими в розгортанні. Дослідники виходили з того, що вони зможуть розмістити необхідні датчики, засоби зв'язку та обробки даних, а також джерело живлення, в обсязі не перевищує декількох кубічних міліметрів. При цьому, такі елементи повинні демонструвати високу продуктивність, пов'язану з функціональністю датчиків і засобів зв'язку. Ці пристрої міліметрових масштабів і були названі «розумної пилом» (smart dust). Можливо, майбутні зразки «розумного пилу» будуть досить малими за розмірами, щоб парити в повітрі, підтримувані його потоками, збирати інформацію і здійснювати зв'язок протягом кількох годин або навіть днів. Як мінімум, в науковій фантастиці така ідея вже згадувалася (роман Ніла Стівенсона «Алмазне століття»).
Дослідження систем на основі «розумного пилу» почалося буквально вчора. Основне завдання цієї статті полягає в уявленні деяких технологічних можливостей і питань з тим, щоб залучити більшу кількість серйозних дослідників, які цікавляться цим надзвичайно важливим напрямком.
«Розумна пил»: технології
На малюнку нижче зображено окрема «розумна порошинка» - марнотрат. У єдиний корпус інтегровані MEMS-датчики, напівпровідниковий лазерний діод і дзеркало управління променем на основі MEMS для активної оптичної передачі, кубічний кутовий MEMS-відбивач для пасивної оптичної передачі, оптичний приймач, схема обробки сигналу і управління, а також джерело живлення на базі товстоплівкових акумуляторів і сонячних елементів. Це пристрій чудово тим, що воно може збирати інформацію, комунікувати і при цьому не має зовнішніх джерел живлення.
Основне завдання полягає в інтеграції всіх цих функцій при дуже низькому споживанні харчування, а отже, максимальному продовженні терміну служби при обмеженому обсязі, призначеному для зберігання енергії. З урахуванням того, що обсяг такого пристрою повинен орієнтовно дорівнювати 1 куб. мм, а в наявності є найкращі на сьогодні акумуляторні технології, кількість збереженої енергії становить близько 1 Дж. Якщо ця енергія використовується безперервно протягом дня, то при грубому розрахунку споживана марнотратом потужність не може перевищувати 10 мкВт.
Прогнозована функціональність «розумного пилу» може бути досягнута тільки якщо загальна споживана потужність марнотратника не перевищує декількох мікроват і при цьому використовується стратегія дбайливого споживання енергії (тобто різні елементи марнотратника споживають харчування тільки коли воно їм необхідно). Якщо ж «розумним порошинкам» доведеться працювати протягом декількох днів, можуть бути застосовані сонячні елементи: подібне рішення дозволить отримувати до 1 Дж в день при використанні сонячних променів, або близько 1 мДж - при роботі від джерел штучного освітлення.
Методи роботи датчиків і реалізацію обробки даних при низькому споживанні харчування можна вважати добре опрацьованими. Складніша інженерна проблема - розробка комунікаційної архітектури, що працює при наднизькому енергоспоживанні. На сьогодні найбільш підходящими технологіями для здійснення цього завдання є використання радіохвиль або оптичної передачі, причому у обох технологій є свої переваги і недоліки. У першому випадку проблемою є дуже обмежений простір для розміщення антен, внаслідок чого можлива передача тільки на дуже коротких хвилях (тобто дуже великих частотах), а зв'язок в цьому режимі не дозволяє працювати при низькому споживанні харчування. Крім того, РЧ-трансивери є відносно складними схемами, що ускладнює зниження енергоспоживання до необхідного рівня (кілька мікроват) - будуть потрібні схеми модуляції, смуговий фільтрації і демодуляції, а також додатковий модуль, в разі якщо передача сигналів від великої кількості марнотратів повинна бути мультиплексированную з поділом за часом, частоті або з використанням кодування.
Для успішного декодування одночасних передач потрібно, щоб «розумні порошинки» не знаходились на лінії прямої видимості між іншими мотами і БТ. Втім, таке блокування малоймовірно через малі розміри пристроїв. Друга вимога до декодування одночасно прийнятих сигналів полягає в тому, щоб зображення різних марнотратів реєструвалося різними пікселями приймача-формувача зображень БТ.