مقدمة إلى إنترنت الأشياء نانو. الجزء الأول

المصدر

"المستقبل هو من صنعك ، ولكن ليس من أجلك."
(The Strugatsky Brothers "Ugly Swans")

حتى وقت قريب ، بدا مفهوم إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء - إنترنت الأشياء) غريبًا بالنسبة للكثيرين ، ولكن اليوم بدأ أفضل ممثلي الحضارة يتحدثون بالفعل عن الإنترنت بشيء جديد (إنترنت الأشياء - إنترنت NanoThings). في الواقع ، إذا كان من الممكن تحويل أي "شيء" من الثلاجة إلى شخص إلى عنصر شبكة ، فلماذا لا تتحرك عميقًا في الثلاجة أو حتى شخص؟ وماذا عن المنتجات على سبيل المثال؟ - لا شيء فاسد؟ مثل رفاقهم "الأكبر" ، تتحد الأعمال النانوية في شبكات مقياس النانو ، التي لا تبرز من بينها الشبكات الكهرومغناطيسية فقط ، ولكن أيضًا الجزيئات.

اثنين من الإنترنت

هناك مثل هذه العلامة - كلما زاد التوت على رماد الجبل ، كان الشتاء أقسى. قبل بضع سنوات في حديقتنا لم يكن هناك أي توت على الإطلاق على رماد الجبل ، على سبيل المثال ، كان البصل المعتاد تقريبًا بدون قشر (علامة شعبية أخرى). ولم يكن هناك شتاء عمليًا. يبدو أن هذا السؤال البسيط - كيف يعرف رماد الجبل والبصل ذلك؟ إذا فكرت في الأمر ، اتضح أن السؤال ليس بهذه البساطة. من الممكن أن يتم حل لغز رماد الجبل عن طريق اختراق داخل هذه النباتات على مقياس النانو. وقد تصبح حقيقة واقعة في القريب العاجل.

المصدر

لقد كنا نتحدث عن إنترنت الأشياء لفترة طويلة في العالم ، ومن المنطقي أن تظهر إنترنت الأشياء عندما بدأت "أشياء" معينة في تضمين أجهزة استشعار دقيقة رخيصة ومعالجات دقيقة وهوائيات مصغرة وبطاريات. يرتبط ظهور وتطوير IoNT ارتباطًا وثيقًا بتقدم تكنولوجيا النانو ، والتي غالبًا ما تكون مدمجة في قطاعات صناعية مختلفة ، بما في ذلك الدفاع والفضاء والرعاية الصحية والطبية الحيوية والإنتاج الصناعي ، وكذلك إلى الترفيه والتجزئة. إن صنع الأجهزة باستخدام هذه التقنيات لتبادل المعلومات هو حلم عزيز لكثير من المتخصصين الذين يرغبون على الأقل في معرفة تدفق العمليات التكنولوجية المختلفة في أي صناعة أو حول جميع التغييرات في جسم الإنسان. إن تطوير الآلات النانوية التي تتمتع بقدرات الاتصال وتكاملها مع الأجهزة الدقيقة والكلية تثير أعيننا نموذجًا جديدًا للإنترنت يمكن أن يؤثر على جميع مجالات الحياة تقريبًا من الرعاية الصحية إلى الأمن القومي. ومن ثم حتى من الواضح أن الأخ الأكبر سيستقبل على الأقل الأخ الصغير للمساعدة.

في الواقع ، تكنولوجيا النانو هي صناعة جديدة تشارك في تطوير أجهزة صغيرة للغاية قادرة على إنتاج إجراءات بسيطة. كونها بسيطة وأداء العمليات البدائية فقط ، فإن الآلات النانوية بشكل فردي غير قادرة على العمل مع المهام المعقدة. على أي حال ، وداعا. لضمان العمل مع التطبيقات الأكثر تعقيدًا ، مثل توصيل الأدوية إلى العضو المطلوب في جسم الإنسان ، فإن القدرة على تبادل المعلومات والأوامر بين كائنات الشبكة ووحدة التحكم مطلوبة ، مما يؤدي إلى الحاجة إلى إنشاء مفهوم الشبكات النانوية. في نفس المفهوم ، من الضروري توقع العلاقة بين IoNT و IoT ، وإنشاء مثل هذه الواجهات ، على سبيل المثال ، عند الانتقال من جسم شخص إلى شبكة اتصال مألوفة لنا ، ستكون مهمة مثيرة للاهتمام منفصلة.

بشكل عام ، IoNT عبارة عن مجموعة من الأجهزة النانوية المتصلة لاسلكيًا التي يمكنها الوصول إلى شبكات الاتصال ، وقبل كل شيء ، إلى الإنترنت. خلاف ذلك ، يمكن توصيل العديد من شبكات الاتصالات النانومترية بالإنترنت في المستقبل المنظور ، وتوسيع عالم إنترنت الأشياء إلى IoNT. في الواقع ، IoNT هو تطوير محلي إضافي لإنترنت الأشياء حيثما كان ذلك ضروريًا أو حيثما أمكن. وكل من داخل الكائنات الحية وغير الحية ، وخارجها.

من السهل افتراض أن مثل هذه القدرات التكنولوجية ستزيد حتما. من المحتمل أن يصبح هذا التطور المحلي يومًا ما عالميًا ، على سبيل المثال ، سيطير نوع من البارود النانوي الذكي عبر البحار والمحيطات عبر البلدان والقارات ، وسيتواجد مستشعرات النانو في كل منتج صلب وسائل ومعظم الحجم تقريبًا من أجل الإبلاغ في الوقت المناسب ما إذا كانت التركيبة والمناخ واللزوجة وغيرها من الخصائص تنتهك ، باستثناء المعلومات حول ما يفعله أي عامل 007 حاليًا ، على طية سترته التي هي قطعة عالية التقنية. وعلى سبيل المثال ، مع ظهور العطور العادية ، بسبب الجسيمات النانوية الذكية ، فإنها ستشير في الوقت المناسب على الامتثال لرائحة معينة ، والأدوية - حول تأثيرها الحقيقي على الجسم.

المصدر

وقد تناولت دراسات التقنيات الواعدة للاتصالات بالفعل ، على سبيل المثال ، استخدام مواد الفرمون ، التي تعلم معها ممثلو النباتات والحيوانات منذ وقت طويل تبادل المعلومات. كيف ستبدو في بعض اتصالات الهاتف المحمول 8G ، حتى أنها تلتقط بشكل أكثر حساسية جميع الفروق الدقيقة في البيانات الشخصية لقاعدة العملاء؟ - حسنًا ، على سبيل المثال ، مثل هذا: لاحظ مركز مراقبة خدمة رضا العملاء تغيرًا حادًا في الرائحة المنبعثة من المشترك الموجود في نقطة معينة ، والذكاء الاصطناعي المدمج ، فيما يتعلق بهذا الخوف ، يسمى خدمات الطوارئ في تلك المرحلة. من يدري ، هل سيتم إنشاء الهياكل النانوية في شكل مساحيق نانوية تقليد الفيرومونات بمرور الوقت؟

ذكرت دراسة من الكون الرقمي نشرتها EMC قبل بضع سنوات أن حجم الكون الرقمي يتضاعف كل عامين. وإذا كانت إنترنت الأشياء ، وفقًا للتنبؤات ، عبارة عن بلايين من الأشياء والأجهزة اليومية ذات المعرفات الفريدة ويمكنها تسجيل البيانات وجمعها واستلامها تلقائيًا ، فإن IoNT بالفعل على الأقل تريليونات من الأجهزة النانوية.

من المتوقع أن تؤدي التغييرات في هيكل الطلب والتطبيقات المبتكرة إلى زيادة خطيرة في الطلب في السوق الجديدة على مدى السنوات القليلة المقبلة. هذا أمر متوقع بشكل خاص حيث سيكون من الممكن خلق فرص عمل مثيرة في هذا السوق. من المتوقع أن ينمو سوق IoNT إلى 10 مليار دولار بحلول عام 2020 ، بمعدل نمو سنوي إجمالي (CAGR) مقداره 22.81٪. وفقًا للخبراء ، يرجع تطور سوق IoNT إلى ثلاثة محركات رئيسية: استمرار الاتصال بالشبكة في كل مكان ، والحوافز الحكومية والمزايا المعروفة للأجهزة المتصلة. ومع ذلك ، من المتوقع أن يكون ضمان السرية والأمن ، فضلاً عن الحجم المطلوب للاستثمارات في تكنولوجيا النانو ، من أقوى القيود التي تحول دون تطوير سوق إنترنت الأشياء العالمي. ومع ذلك ، على الرغم من هذه القيود ، هناك طلب متزايد بالفعل من مختلف القطاعات الصناعية لصالح توسيع الفرص للسوق العالمية.

واحدة من أكبر الشركات في سوق IoNT هي الآن شركة Intel و Cisco Systems Inc. و Qualcomm Incorporated و Juniper Networks و IBM Corporation في الولايات المتحدة الأمريكية وشنايدر إلكتريك في فرنسا و SAP SE و Siemens AG في ألمانيا وغيرها.

الماضي IoNT

كما قد تخمن ، لم يكن للإنترنت ماضي أبدًا بالمعنى الحديث للماضي. كما يقولون ، لم يكن هناك إنترنت ، لم يكن هناك شيء جديد - لم تكن هناك مشكلة. ومع ذلك ، فلنعد إلى ذلك لاحقًا ، ولكن الآن ، دعونا نتعامل مع التحديات الحالية للإنسانية التقدمية.

حقيقي IoNT

على الأقل ، يفهم الشخص الحديث لماذا يمكن استخدام IoNT وما الفوائد التي يمكن أن تجلبها. ولكن في حين أن كل شيء في مهده ، يتم تطوير مفهوم واختيار التقنيات. لحسن الحظ ، بعض الشركات المتقدمة لديها علماء مستقبلية وحالمين تسويق آخرين. ومع ذلك ، فإن المتخصصين أكثر اهتمامًا بكيفية ترتيب كل هذا وكيف سيعمل. وبينما لم يخترع الإنسان أي شيء آخر ، ربما يجب أن يكون هناك كل شيء "مثل البالغين" ، أي المكونات المعتادة التي يؤديها "النانو": الكاميرات والهواتف وأجهزة الاستشعار العددية والمعالجات وبطاقات الذاكرة وإمدادات الطاقة والهوائيات وأجهزة الإرسال والاستقبال. اليوم ، يعمل العديد من المطورين بجد على هذه الفسيفساء النانوية بحيث تعمل في صورة وشكل العالم الماكرو ، وعندها فقط ستتغير بطريقة ما مع مرور الوقت. كل هذا يتوقف على تطوير التقنيات الجديدة واختراقها في حياتنا ، وكذلك على اهتمام المستخدمين النهائيين بها. اعتمادًا على عدد الأشياء ونوعها ، يمكن استخدام تقنيات مختلفة لجمع المعلومات ومعالجتها وتبادلها في إطار نقل البيانات بسلاسة بين الأجهزة.

يجب أن تتفاعل الكائنات النانوية في أي مكان وفي أي وقت ، وقد تكون هي نفسها غير متجانسة ، وتعمل مع كل من إنترنت الأشياء وإنترنت الأشياء. كما هو الحال في قصة إنترنت الأشياء ، يجب أن يمر كل عنصر من عناصر IoNT في سلسلة القيمة ، ربما ، بتغييرات ثورية وتحسين وظائفها. نظرًا للصعوبات المصاحبة لها ، تتقارب العوامل التي تحفز سوق إنترنت الأشياء غالبًا على الدعم الحكومي ، ولكن الزيادة القادمة في الاتصال مفيدة أيضًا لقادة السوق والصناعة.

يسير تطوير تقنية النانو جنبًا إلى جنب مع ظهور التطورات الجديدة على الإنترنت وشبكات الاستشعار. في السنوات الأخيرة ، ظهر اتجاه الاتصالات النانوية ، والغرض منه هو إنشاء نماذج جديدة لتفاعل الأجهزة النانوية لتحسين قدراتها وأساليب تطبيقها. ومع ذلك ، يمكن لأجهزة النانو الاتصال ليس فقط في وضع الأقران. يمكن أن يضيف تضمين مستشعرات النانو في كائنات وأجهزة مختلفة حول المستخدمين بعدًا جديدًا لمفهوم إنترنت الأشياء عن طريق إضافة IoNT. يمكن لهذه المستشعرات النانوية المصغرة أن تقدم بيانات دقيقة من داخل الأشياء أو المناطق التي يصعب الوصول إليها. على سبيل المثال ، يمكن لأجهزة استشعار الجسم النانوية جمع الإشارات الكهربائية للقلب وغيرها من الإشارات الحيوية. يمكن لأجهزة الاستشعار الدقيقة المثبتة في البيئة جمع معلومات حول مسببات الأمراض ومسببات الحساسية الموجودة في موقع مادي معين. إذا قمت بدمج هذين المصدرين للبيانات بناءً على IoNT ، يمكنك الحصول على تشخيص دقيق ومراقبة حالة المريض.

المصدر

ومع ذلك ، في مواجهة تقنية النانو ، تلقى المجتمع الهندسي مجموعة جديدة من الأدوات لتطوير مكونات مقياس النانو بوظائف غير مسبوقة. حسنًا ، سيساهم دمج العديد من المكونات النانوية في كائن واحد بمساعدة النظم النانوية في تطوير المزيد والمزيد من الآلات النانوية ، مما سيخلق العديد من التطبيقات في المجالات الطبية الحيوية والبيئية والصناعية والعسكرية. ومع ذلك ، لا يزال الأمر واضحًا تمامًا اليوم ، ليس فقط كيف ستتواصل الآلات النانوية مع بعضها البعض ، ولكن أيضًا كيف ستتبادل المعلومات مع "أشياء" أكبر. استجابة لهذا التحدي في السنوات الأخيرة ، ظهر اتجاه جديد في مجال تكنولوجيا النانو - الأسلاك النانوية أو الاتصالات بين الأجهزة النانوية: الدوائر النانوية ، والروبوتات النانوية ، وأجهزة النانو ، والآلات النانوية ، وما إلى ذلك ، يتراوح حجم الروبوتات النانوية ، من 0.1 إلى 10 ميكرون.

في الواقع ، أصبحت العديد من الأجهزة مصغرة بشكل متزايد وسرعان ما لن يكون من السهل ملاحظة الأشياء المادية المتصلة بالإنترنت بالعين المجردة ؛ ستشمل أجهزة الكمبيوتر التي بحجم حبة الملح بطارية شمسية ، وبطارية رقيقة ، وذاكرة وصول عشوائي ، ومستشعر ضغط ، وجهاز لاسلكي لاسلكي ، وهوائي ؛ تعمل كاميرات الفيديو بحجم الحبوب بالفعل بأعلى دقة ؛ يمكن لأجهزة الاستشعار بحجم قطعة الغبار (0.05x0.005 ملم) قياس درجة الحرارة والضغط ، والتعرف على الحركة ونقل البيانات المستلمة.

بشكل عام ، مع ظهور نجاحات إنترنت الأشياء الحقيقية يومًا ما ، ستصبح الحياة أفضل ، وستصبح الحياة أكثر متعة.

كيف تفعل ذلك؟

وتجدر الإشارة إلى أن البحث في هذا الاتجاه مهم للغاية لدرجة أنه دخل قائمة الأعمال ذات الأولوية للوكالة الأمريكية الشهيرة لمشاريع أبحاث الدفاع المتقدمة DARPA. حسنًا ، يمكنك تنفيذ كل ما سبق بطرق مختلفة.

يتطلب الربط البيني بين شبكات النانو والإنترنت ظهور حلول تكنولوجية جديدة لإنشاء واجهات بين شبكات النانو والشبكات الكلية ، وتطوير طرق اتصال جديدة ، وطرق لمعالجة وتخزين كمية ضخمة من البيانات المتداولة في شبكات النانو ، ونماذج جديدة لخدمة البيانات من مصادر نانو للمعلومات. يمكن أن تستند عملية نقل المعلومات على مقياس النانو إلى مبادئ فيزيائية مختلفة: الجزيئية ، أي التي تحدث في بيئة بيولوجية ، الفوتون ، الصوتية ، وبالطبع الكهرومغناطيسية. يتضمن الأخير أنواعًا مختلفة من الاتصال: femtocell ، ZigBee ، إشارات النطاق العريض للغاية ، Li-Fi ، إلخ. يمكن إجراء الاتصال نفسه بين الأجهزة الموجودة على نفس الشريحة ، وبين هذه البلورات ، وكذلك للوصول إلى المستوى الجزئي.

هنا ، على سبيل المثال ، الأضواء الوامضة ، التي تزعجنا عادة ، تبين أنها مفيدة. يستخدم الاتصال بالضوء المرئي (VLC) أو Li-Fi ، كما يطلق عليه أيضًا ، نبضات ضوئية لنقل المعلومات لاسلكيًا. استنادًا إلى مصابيح Li-Fi LED ، فقد حققت معدلات نقل بيانات عالية بشكل مدهش في المختبر ويمكنها بالفعل التنافس مع شبكة Wi-Fi التقليدية. بالمناسبة ، في عام 2005 ، باستخدام طرق الهندسة الوراثية ، تم إنشاء الخلايا العصبية التي استجابت لضوء لون معين ، كانت التكنولوجيا المقابلة تسمى علم الوراثة. تسمح لك الأشعة الضوئية ذات الألوان المختلفة بتشغيل الخلايا العصبية وإيقاف تشغيلها ، على سبيل المثال ، لعلاج الألم المزمن أو تهدئة المريض. عامل مهم في مثل هذا العلاج بالضوء هو الوقت ، لأن نفس الإشارة التي ترسل بضع مللي ثانية قبل أو بعد ذلك يمكن أن يكون لها معنى معاكس لدماغ المريض.

المصدر

ومع ذلك ، بالنسبة للإشارات ، فإن مبادئ الاتصال الكهرومغناطيسي أكثر دراية ومفهومة أقل بكثير في النطاق. يتم تعريفها على أنها إرسال واستقبال الإشعاع الكهرومغناطيسي من مكونات مختلفة على أساس مواد نانوية جديدة. أحد تجسيدات الاتصالات النانوية التي يتم تنفيذها اليوم هو نموذج تطوير الشبكات اللاسلكية على شريحة (شبكة لاسلكية على رقاقة ، WiNoC) ، بما في ذلك لنقل البيانات بين الدوائر النانوية الموجودة على ركيزة مشتركة. بالطبع ، هذا ليس بعد IoNT ، ولكن شيئًا مشابهًا جدًا في التكنولوجيا ، والتي لها أيضًا تاريخها الصغير الخاص. في وقت من الأوقات ، أدى العمل على منهجية تصميم رقائق متعددة النواة إلى فكرة إنشاء شبكة على رقاقة (Network on Chip، NoC) وأصبح مجالًا مهمًا لتطوير الأنظمة على رقاقة (System on chip، SoC). وفي الآونة الأخيرة ، تحولت عيون الخبراء إلى WiNoC ، والذي ينطبق على تقنية النانو وإنشاء IoNT.

على وجه الخصوص ، مشكلة ضمان الاتصال الكهربائي لجهاز أو دائرة إلكترونية نانوية وأي عنصر ماكرو دون خسائر كبيرة في الكثافة الحالية التي يمكن تحقيقها في مقياس النانو ذات صلة في الوقت الحالي. اتضح أن الطريقة المستخدمة بشكل شائع للإنتاج الحجمي لوسادات الاتصال غير فعالة لمعالجة الإشارات المتوازية على نطاق واسع ، مما يتطلب الجمع بين العديد من النظم النانوية على شريحة واحدة. يتم حل هذه المشكلة بمساعدة الاتصال اللاسلكي ، عند استخدام تأثيرات الاقتران السعوي بين منصات الاتصال المصغرة أو الاقتران الحثي بين المحاثات اللولبية.

يوفر أحد تطبيقات WiNoC الأكثر شيوعًا وجود خطوط إشارة سلكية لاسلكية وتقليدية في شريحة واحدة. في هذه الحالة ، يتم تقسيم النظام بالكامل على الشريحة بشكل تقليدي إلى شبكات فرعية من مجموعات من النوى ، يتم داخلها الاتصال بواسطة خطوط سلكية.

وقد تم تجهيز كل شبكة فرعية من هذا القبيل بمحطة قاعدة مصغرة (BS) توفر إرسال واستقبال حزم البيانات عبر قنوات الراديو من الشبكات الفرعية الأخرى. يتم توصيل جميع النوى في الشبكة الفرعية بمحطة BS الخاصة بهم عبر روابط الخطوط السلكية. يتم إرسال حزمة البيانات بين نوى الشبكات الفرعية المختلفة محليًا أولاً إلى BS المقابلة ، ثم عبر الهواء إلى BS للمجموعة الفرعية التي يقع فيها المرسل إليه ثم على خط الأسلاك إلى الوجهة. يمكن تنفيذ تكامل BS في شبكة الراديو وفقًا لطوبولوجيا النجم والحلقة والشبكة الشبكية وما إلى ذلك ، أي تمامًا كما يحدث عادةً على المستوى الكلي. في الحلول الأكثر تعقيدًا ، قد تكون أقسام إرسال الإشارة السلكية غير موجودة تمامًا ، على الرغم من أن التطبيق الهجين الموضح أعلاه أبسط من الناحية التكنولوجية.

فتحت التطورات الحديثة في الفيزياء الجزيئية ، وعلى وجه الخصوص ، خصائص الكربون الجديدة المطبقة لمصلحة الإلكترونيات الباب أمام جيل جديد من مكونات النانو الإلكترونية مثل تراكم النانو والذاكرة النانوية والدوائر المنطقية في مقياس النانو وهوائيات النانو. بالمناسبة ، إن تصغير الهوائي الكلاسيكي (وليس الهوائي فقط) وفقًا لمتطلبات حجم الآلات النانوية ينطوي على استخدام ترددات لاسلكية عالية جدًا ، والتي ، على ما يبدو ، يمكن أن تعرض للخطر جدوى مثل هذه الشبكات.

تركز الأبحاث في مجال تقنيات النانو حاليًا على زيادة عرض النطاق الترددي لقناة اتصال باستخدام إشارات النطاق العريض للغاية التي تشغل نطاق تردد تيراهيرتز بالكامل (terahertz = 1012 هرتز). الروابط بين الآلات النانوية بسرعات عدة تيرابت في الثانية ممكنة تمامًا ، ولكن فقط على مسافات أقل بكثير من متر واحد. , . . . , , , , . , , .

– , , , . : , . , . . , , .

-, . , , . - : , .

, . , - . -, ? , , . , , , , , , . - (surface plasmon polariton, SPP), 0,1…10 . , (, ) . . , , , .

, , , , . , , - . – , , – , .

, , . Ericsson Research , 40 / 141,5–148 , 40 , LTE.

, , , , , . . . (), . , - - . , .

, , . , - -MIMO (Multipoint Input – Multipoint Output). – . ( ) I, , , ( 8 ). , - MIMO- . . -MIMO- .

MIMO WiNoC .. . -, , , – . , . MIMO (-MIMO) WiNoC.

WiNoC MІMO. . « » , , – .. , . , MIMO-, , , . . , , . , « GPS» « ». .

, . , , , , . , , . , . , IoNT .

: , ...

* : electronics.ru, vestnik-sviazy.ru, pcweek.ru, rucont.ru, news.bitcoin.com, sut.ru, NanoNewsNet.ru, startup.today, club.esetnod32.ru, internetofthings.ru*