Was ist Smart Dust und wie wird es eingesetzt?
Stellen Sie sich eine Wolke aus Sensoren vor, jeder von der Größe eines Sandkorns oder sogar noch kleiner, die von Orkanwinden in die Luft gewirbelt werden und Daten über den Sturm an Wetterstationen weiter unten übermitteln. Stellen Sie sich ein unsichtbares Sensornetzwerk vor, das in die Straßen einer intelligenten Stadt eingebettet ist , um den Verkehr und Schäden am Straßenbelag zu überwachen und freie Parkplätze zu ermitteln – alles in Echtzeit. Oder stellen Sie sich Milliarden von Nanosensoren vor, die über Wälder und andere Gebiete mit Brandgefahr verteilt sind, um Brände bereits im Anfangsstadium zu erkennen. Oder stellen Sie sich programmierbaren intelligenten Staub vor, der ein Alarmsignal auslöst, wenn unsichtbare Mikrorisse in einem Turbinenblatt erkannt werden.
Smart Dust bezeichnet drahtlose Netzwerke autonomer Computer- und Sensorplattformen im Submillimeterbereich, die nicht größer als ein Sandkorn sind. Smart Dust erfasst und speichert Daten über seine Umgebung wie Licht, Temperatur, Geräusche, 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 Netzwerke aus Billionen winziger Sensoren kontinuierlich fühlen, schmecken, riechen, sehen und hören, was in ihrer Umgebung vor sich geht, miteinander kommunizieren und Informationen austauschen. Smart Dust-Netzwerke sind die ultimativen Geräte des Internets der Dinge (IoT).
Smart Dust ist revolutionär, weil die Sensoren so klein sind, dass sie überall platziert 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 geringen Größe über eine eigene Stromversorgung verfügen.
Man geht davon aus, dass diese Technologie nicht nur zur Überwachung von Gebäudesteuerungen, Rohrleitungen, Fabrikanlagen und Medikamentenherstellungsprozessen eingesetzt werden kann, sondern auch zu allgegenwärtigen autonomen Berechnungen mit künstlicher Intelligenz in der Nähe des Endbenutzers führen wird, beispielsweise bei der Authentifizierung, bei medizinischen Verfahren und der Überwachung der Gesundheitsversorgung, bei Sensorik und Verfolgung, bei der Überwachung von Industrie und Lieferketten sowie bei Verteidigungsanwendungen.
Obwohl intelligente Staubgeräte nicht ganz die Größe eines Staubkorns erreichen, hoffen die Forscher, diese Geräte mithilfe der Nanotechnologie auf die Größe eines Staubkorns zu schrumpfen .
Um wirtschaftlich zu sein, müssen solche Einweggeräte billig sein (wir sprechen hier von Centbeträgen oder sogar Bruchteilen eines Cents), sogar billiger als die RFID-Tags, die derzeit beispielsweise zur Bestandsverfolgung in Warenlagern verwendet werden.
Wie funktioniert Smart Dust und was bewirkt es?
Intelligente Staubnetzwerke enthalten Knoten (sogenannte „Mote“), die Sensorik, Computertechnik, drahtlose Kommunikationsfunktionen und eine autonome Stromversorgung in einem winzigen Paket 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 Aktuatoren fungieren. In Zukunft wird sich die Größe dieser Systeme mit fortschreitender Fertigungstechnologie weiter verkleinern und zu NEMS – nanoelektromechanischen Systemen – werden.
Motes werden mithilfe herkömmlicher Silizium-Mikrofabrikationstechniken hergestellt und können in einer staubähnlichen Umgebung schweben bleiben (daher der Name).
Eine Milbe, weniger als 1 mm groß, nähert sich einer Mikrozahnradkette. (Bild: Sandia National Laboratories)
Jeder einzelne Partikel kann unbeaufsichtigt gelassen werden, um Umweltdaten wie Licht, Temperatur, Druck, Vibrationen, das Vorhandensein von Giftstoffen usw. zu sammeln und diese Daten drahtlos an größere, entfernte Computersysteme zu übertragen – oder, abhängig von der Rechenleistung des Partikels, sie direkt am Ort der Datenerfassung zu verarbeiten.
In industriellen Umgebungen beispielsweise übermitteln intelligente Staubsensoren Signale an einen Steuerungscomputer, der die Daten dann zusammenstellt, um den Anlagenmanagern Feedback zu geben. Oder die Ergebnisse könnten eine automatische Reaktion auslösen, etwa das Herunterregeln der Temperatur in einem Gebäude oder die Reduzierung des Wasserdurchflusses.
Ein weiteres Beispiel ist das SHIELD-Programm der DARPA, das Mikrochips verwenden will, um die Lieferkette von Computerchips für Verteidigungsanwendungen zu verfolgen und zu authentifizieren. Ziel ist es, gefälschte integrierte Schaltkreise aus der Elektronik-Lieferkette zu eliminieren, indem Fälschungen zu komplex und zeitaufwendig gemacht werden, um kosteneffizient zu sein. SHIELD zielt darauf ab, Verschlüsselung auf NSA-Niveau, Sensoren, Nahfeldstromversorgung und Kommunikation in einem winzigen Chip zu 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 konzipiert, als er Professor für Elektrotechnik an der University of California in Berkeley war, und zwar als einfache Möglichkeit zur Bereitstellung intelligenter drahtloser Sensoren.
Pister stellte sich damals eine Welt vor, in der allgegenwärtige Sensoren alles messen könnten, was messbar ist. Sofort dachte er an Umweltanwendungen wie die Wetterbeobachtung (lesen Sie sein Konzeptpapier aus dem Jahr 2000: Neue 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. 1992 finanzierte die DARPA Pisters Forschung im Rahmen des Smart Dust-Projekts (den Originalantrag können Sie hier als PDF lesen ).
Schematische Darstellung eines Smart Dust-Sensornetzwerks für Schlachtfelder, wie es im Förderantrag für das Smart Dust-Projekt der DARPA dargestellt ist: Tausende von Sensorknoten, die Quadratkilometer abdecken, werden von autonomen Helikoptern geliefert. Sie verfolgen die Bewegung von Fahrzeugen stunden- oder tagelang und melden Informationen, die in Live-Videos eingeblendet werden, wenn sie von einem tragbaren oder im Helikopter befindlichen Empfänger abgefragt werden.
Komponenten eines intelligenten Staubkörnchens
Ganz grundsätzlich besteht jeder Knoten aus vier Geräteklassen: Sensoren, Schaltkreise, Kommunikation und Stromversorgung. In einem drahtlosen Sensorknoten würde dies konzeptionell wie folgt aussehen:
Beispiel für den Systemaufbau eines drahtlosen Sensorknotens. Er besteht aus einem 3D-gedruckten funktionalen Würfelpaket, das mehrere tintenstrahlgedruckte Sensoren und die Antenne enthält. Die Platine wurde ebenfalls 3D-gedruckt und enthält die im Paket eingeschlossene Mikroelektronik. (Quelle: DOI 10.1002/admt.201700051)
Das gesamte Paket enthält einen oder mehrere MEMS- oder NEMS- Sensoren , die den Hauptsensorzweck des Motes erfüllen, nämlich Dinge wie Vibration, Temperatur, Druck, Schall, Licht, Magnetfeld usw. zu erkennen und zu messen. Schaltkreise (Mikrocontroller) dienen zur Schnittstelle mit den Sensoren und zur Verarbeitung und Speicherung von Daten. Die Kommunikation umfasst idealerweise einen Sender und eine 3D-Antenne, die eine gleichmäßige Strahlung in alle Richtungen gewährleistet und so eine orientierungsunabhängige Kommunikation ermöglicht. Die Stromversorgung für den gesamten Mote könnte je nach Einsatzgebiet eine Solarzellenanordnung oder eine Art Dünnschichtbatterie oder Superkondensator sein.
Das gesamte Paket sieht folgendermaßen aus:
Lesen Sie mehr über dieses 3D-gedruckte, vollständig integrierte drahtlose Sensorgerät .
Obwohl die Würfelmaße im obigen Beispiel auf jeder Seite 21 mm betragen, veranschaulicht es das Grundkonzept und die Komponentenarchitektur eines intelligenten Staubkörnchens. Die unvermeidliche Miniaturisierung wird letztendlich zu einer Submikrometergröße für diese Geräte führen.
Hier sind zwei weitere Beispiele, wie die Miniaturisierung zu unglaublich kleinen Komponenten führt.
3D-gedruckte Mikrolinsensysteme
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der hexagonalen Linsenanordnung. Jedes Doppellinsensystem hat einen Durchmesser von 120 µm und eine Höhe von 128 µm. Maßstab 100 µm. (Quelle: DOI 10.1038/NPHOTON.2016.121)
Forscher haben voll funktionsfähige Mehrlinsenobjektive mit einer Größe von etwa 100 Mikrometern, also etwa der Größe eines Salzkorns, demonstriert, die zu intelligenten Staubkörnchen mit autonomer Sicht führen könnten. Die Linsen zeigen beispiellose Leistung und hohe optische Qualität mit Auflösungen von bis zu 500 Linienpaaren pro Millimeter für Bildgebungsanwendungen.
Staubgroßes Netzteil
Immer kleinere Energiespeicher im Submillimeterbereich für noch kleinere mikroelektronische Bauteile sind eine große technische Herausforderung. Dennoch gelingt es Forschern, ihre Größe kontinuierlich zu reduzieren, wie dieses Beispiel eines Nanosuperkondensators zeigt – er ist so groß wie ein Staubkorn, hat aber die Spannung einer AAA-Batterie:
Jeder der 90 röhrenförmigen Superkondensatoren auf der Fingerspitze fasst ein Volumen von gerade einmal 1 Nanoliter (0,001 mm3 ) , liefert aber bis zu 1,6 V Versorgungsspannung.
Neuronaler Smart Dust
Zugegeben, diese Anwendung ist noch etwas weiter entfernt, aber Forscher arbeiten aktiv daran. Und auch hier ist das Militär mit dem Electrical Prescriptions (ElectRx)-Programm der DARPA führend .
Forscher haben ein sicheres, millimetergroßes drahtloses Gerät entwickelt, das klein genug ist, um in einzelne Nerven implantiert zu werden. Es kann die elektrische Aktivität von Nerven und Muskeln tief im Körper messen und nutzt Ultraschall zur Energiekopplung und Kommunikation. Sie nennen diese Geräte „ Neural Dust“ .
Jeder Neural-Dust-Sensor besteht aus nur drei Hauptteilen: einem Elektrodenpaar zum Messen der Nervensignale, einem speziellen Transistor zur Verstärkung des Signals und einem piezoelektrischen Kristall, der sowohl die mechanische Energie extern erzeugter Ultraschallwellen in elektrische Energie umwandelt als auch die aufgezeichnete Nervenaktivität übermittelt.
Und obwohl noch nicht vernetzt, haben Forscher bereits gezeigt, dass es möglich ist, Computerchips in einzelne Zellen einzufügen . Aber Sie können sich vorstellen, wohin das führen könnte … (Liebe Verschwörungstheoretiker: BITTE schicken Sie uns keine Kommentare!).
Aktueller Stand und Herausforderungen
Die größten Herausforderungen für die Forscher sind der Mangel an ausreichender Leistung auf kleinem Raum und die Schwierigkeiten bei der Integration von Stromversorgungssystemen in diese hochskalierten Geräte. Da die Speicherdichte von Batterietechnologien nicht den Skalierungstrends des Mooreschen Gesetzes gefolgt ist, müssen IoT-Systeme auf die Energieumwandlung aus externen Quellen wie Wärme, Vibration, Licht oder Radiowellen zurückgreifen.
Angesichts der Weiterentwicklung der Nanoelektronik und Verpackungstechnologien ist jetzt möglicherweise der richtige Zeitpunkt gekommen, über Lösungen für diese Probleme nachzudenken und in Richtung leistungsfähigerer kleiner Computersysteme als ursprünglich vorgeschlagen zu gehen.
Die Fähigkeit, verschiedene nanoelektronische Chiplets – wie Prozessoren, Speicher und Photovoltaik-Bauteile – in einem Wafer-Level-Packaging-Prozess im industriellen Maßstab zu integrieren und so solarbetriebenen Smart Dust zu erzeugen , erschließt das Potenzial der Massenfertigung dieser kompakten integrierten Systeme mit hoher Leistung und extrem niedrigen Kosten.
Einsatzmöglichkeiten von Smart Dust
Die große Bandbreite an Smart Dust-Anwendungen macht es unmöglich, in einem einzigen Artikel detaillierte Beschreibungen zu liefern. Daher listen wir im Folgenden nur einige Hauptbereiche auf:
- Landwirtschaft : Ständige Überwachung des Nährstoffbedarfs, der Bewässerung, Düngung und Schädlingsbekämpfung einer Ernte. Diese wertvollen Informationen können dazu beitragen, die Menge und Qualität der Ernte zu steigern. Außerdem können damit Bodenbedingungen wie pH-Wert, Fruchtbarkeit und mikrobieller Befall erfasst werden, also Informationen, die für das Wachstum der Pflanze von entscheidender Bedeutung sind.
- Branchen : Kontinuierliche Überprüfung wichtiger Geräte, um Maßnahmen zu ihrer Wartung zu ergreifen. Die Beurteilung des genauen Zustands der Maschinen, ihrer Schwachstellen und Korrosion kann einen vollständigen Systemausfall verhindern.
- Umwelt . Chemische und biologische Umweltüberwachung für Gesundheits- und Sicherheitsprobleme (Wasser, Luft, Boden). Beispielsweise könnte plasmonischer Smart Dust lokale chemische Reaktionen untersuchen, wie in dieser Animation gezeigt:
Animation der Wasserstoffdissoziation und -aufnahme auf einer Palladiumoberfläche. Der Smart Dust (ein von einer Silica-Hülle isoliertes Goldnanopartikel) meldet Veränderungen in der lokalen chemischen Umgebung über spektrale Verschiebungen in seinem Streuspektrum. (Quelle: Sven Hein, 4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart) - Städtische Infrastruktur : Die Überwachung von Gebäuden, Straßen, Brücken, Tunneln, Wasser- und Abwasserleitungen, Strom- und Telekommunikationsnetzen wird Teil eines Gesamtkonzepts einer Smart City . So könnte beispielsweise bereits beim Bau intelligenter Staub in Beton eingearbeitet werden.
- Bestandsverwaltung : Die Verfolgung der Produkte von ihren Produktionsstätten bis in die Regale des Einzelhandels über Transportmittel (vom Schiff zum LKW) würde eine strenge Bestandskontrolle gewährleisten.
- Medizinische Diagnostik : siehe Neural Smart Dust oben
- Transportsektor : Smart Dust transportiert verderbliche Waren, da diese Materialien ständig überwacht werden müssen. Beim Transport verderblicher Waren müssen bestimmte Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Belüftung kontinuierlich überwacht werden. Ebenso hilft Smart Dust dabei, die Gesundheit von Tieren zu überwachen und die notwendigen Bedingungen wie Temperatur, Luft und Luftfeuchtigkeit für einen sicheren Transport zu kontrollieren.
- Militärische Anwendungen : Es hilft bei der Durchführung von Aktivitäten in abgelegenen oder unzugänglichen Gebieten. Es kann auch das Vorhandensein giftiger Gase oder schädlicher Substanzen feststellen und dabei helfen, die erforderlichen Maßnahmen zu ergreifen. Sensornetzwerke für Schlachtfelder.
- Weltraumforschung : Wetter, seismologische Überwachung von Planeten und Monden im Sonnensystem. Wissenschaftler erforschen auch einen völlig neuen Typ von Weltraumteleskop mit einer Öffnung aus Partikelschwärmen, die aus einem Behälter freigesetzt und von einem Laser gesteuert werden. Das Innovative Advanced Concepts Program der NASA finanziert die zweite Phase des Projekts „Orbiting Rainbows“, das versucht, Weltraumoptik und Smartdust oder autonome Robotersystemtechnologie zu kombinieren.
Risiken und Bedenken hinsichtlich Smart Dust
Die großflächige Einführung von Smart Dust würde eine Reihe von Risiken mit sich bringen:
Datenschutz . Viele, die Vorbehalte gegenüber den Auswirkungen von Smart Dust auf die reale Welt haben, machen sich Sorgen um Datenschutzfragen. Smart Dust-Geräte werden so klein werden, dass sie für unser bloßes Auge unsichtbar und daher äußerst schwer zu erkennen sind. Sie können so programmiert werden, dass sie alles aufzeichnen, was ihre Sensoren können (ironischerweise haben die Menschen begonnen, freiwillig Geräte mit sich zu tragen, die genau das tun würden). Sie werden wahrscheinlich nicht wissen, wer die Daten sammelt und was er damit macht. Ihrer Fantasie sind keine Grenzen gesetzt, was die negativen Auswirkungen auf die Privatsphäre angeht, wenn Smart Dust in die falschen Hände gerät
Kontrolle . Wenn Milliarden von Smart Dust-Geräten erst einmal über einem Gebiet verteilt sind, wäre es schwierig, sie bei Bedarf wieder zu bergen oder einzufangen. Angesichts ihrer geringen Größe wäre es schwierig, sie zu entdecken, wenn man nicht auf ihre Anwesenheit aufmerksam gemacht würde. Die Menge an Smart Dust, die von einer Einzelperson, einem Unternehmen oder einer Regierung eingesetzt werden könnte, um Schaden anzurichten, würde es den Behörden bei Bedarf schwer machen, sie zu kontrollieren.
Kosten . Wie bei jeder neuen Technologie sind die Kosten für die Implementierung eines Smart Dust-Systems, das Satelliten und andere für die vollständige Implementierung erforderliche Elemente umfasst, hoch. Solange die Kosten nicht sinken, wird diese Technologie für viele unerschwinglich sein.
Verschmutzung . Smart Dust Motes sind im Wesentlichen Einweggeräte. Sofern sie nicht vollständig biologisch abbaubar sind, stellt sich die Frage, ob sie die Bereiche, in denen sie eingesetzt werden (Boden, Luft, Wasser), verschmutzen.
Gesundheit . Sobald intelligente Staubpartikel auf die Nanoskala schrumpfen, entspricht ihr Risikoprofil dem von Nanopartikeln im Allgemeinen und den potenziellen Gesundheitsrisiken, die mit dem Einatmen oder Verschlucken dieser Partikel verbunden sind.
Rechtliche Probleme . Der Mangel an Sicherheit zum Schutz der von Smart-Dust-Netzwerken erzeugten Informationen gibt nicht nur Anlass zu Datenschutzbedenken, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass Dritte ohne Autorisierung auf das Netzwerk zugreifen (es also hacken) und die darin enthaltenen Informationen für illegale Zwecke verwenden.
