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"Die Zukunft wird von Ihnen geschaffen, aber nicht für Sie."
(Die Strugatsky Brüder "Ugly Swans")
Bis vor kurzem schien das Konzept des Internet der Dinge (IoT - Internet der Dinge) vielen seltsam, aber heute haben die besten Vertreter der Zivilisation bereits begonnen, mit einer neuen Sache über das Internet zu sprechen (IoNT - Internet of NanoThings). Wenn es möglich ist, ein „Ding“ von einem Kühlschrank zu einer Person in ein Netzwerkelement zu verwandeln, warum dann nicht tief in den Kühlschrank oder sogar in eine Person hinein? Und was ist zum Beispiel mit den Produkten? - Nichts faul? Wie ihre "größeren" Kameraden sind Nanobusiness in nanoskaligen Netzwerken vereint, unter denen nicht nur elektromagnetische, sondern auch molekulare hervorstechen.
Zwei Internet
Es gibt so ein Zeichen - je mehr Beeren auf der Eberesche sind, desto härter ist der Winter. Vor ein paar Jahren gab es in unserem Garten überhaupt keine Beeren auf der Eberesche, und zum Beispiel war die übliche Zwiebel fast vollständig ohne Schale (ein weiteres beliebtes Zeichen). Und es gab praktisch keinen Winter. Es scheint eine so einfache Frage zu sein - woher wissen Eberesche und Zwiebel das? Wenn Sie darüber nachdenken, stellt sich heraus, dass die Frage nicht so einfach ist. Es ist möglich, dass das Ebereschen-Rätsel gelöst werden kann, indem man im Nanobereich in diese Pflanzen eindringt. Und es kann sehr bald Realität werden.
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Wir haben lange Zeit über IoT auf der Welt gesprochen, und es ist logisch, dass IoNT auftauchte, als bestimmte „Dinge“ kostengünstige Mikrosensoren, Mikroprozessoren, Miniaturantennen und Batterien umfassten. Die Entstehung und Entwicklung von IoNT hängt eng mit dem Fortschritt der Nanotechnologie zusammen, die heute häufig in verschiedene Industriezweige eingebettet ist, darunter Verteidigung, Luft- und Raumfahrt, Gesundheitswesen, Biomedizin, Industrieproduktion und sogar Unterhaltung und Einzelhandel. Die Herstellung der Geräte, die mit diesen Technologien zum Informationsaustausch hergestellt werden, ist ein geschätzter Traum vieler Spezialisten, die zumindest über den Ablauf verschiedener technologischer Prozesse in jeder Branche oder über alle Veränderungen im menschlichen Körper Bescheid wissen möchten. Die Entwicklung von Nanomaschinen mit Kommunikationsfähigkeiten und deren Integration in Mikro- und Makrogeräte lässt unsere Augen ein neues Paradigma des Internets entstehen, das nahezu alle Lebensbereiche von der Gesundheitsversorgung bis zur nationalen Sicherheit betreffen kann. Und dann wird natürlich auch Big Brother mindestens Little Brother erhalten, um zu helfen.
Tatsächlich ist die Nanotechnologie eine neue Branche, die sich mit der Entwicklung extrem kleiner Geräte befasst, die einfache Aktionen ausführen können. Da Nanomaschinen einfach sind und nur primitive Operationen ausführen, können sie nicht mit komplexen Aufgaben arbeiten. Wie auch immer, tschüss. Um die Arbeit mit komplexeren Anwendungen wie der Abgabe von Arzneimitteln an das gewünschte Organ im menschlichen Körper sicherzustellen, ist die Fähigkeit zum Austausch von Informationen und Befehlen zwischen Netzwerkobjekten und der Steuerung erforderlich, was zur Notwendigkeit führt, das Konzept von Nanonetzwerken zu erstellen. Im gleichen Konzept ist es notwendig, die Verbindung zwischen IoNT und IoT vorauszusehen, und die Schaffung solcher Schnittstellen, die beispielsweise beim Übergang vom Körper einer Person zu einem vertrauten Kommunikationsnetzwerk erforderlich sind, wird eine separate interessante Aufgabe sein.
Im Allgemeinen handelt es sich bei IoNT um eine Reihe von drahtlos verbundenen Nanogeräten, die Zugang zu Kommunikationsnetzwerken und vor allem zum Internet haben. Andernfalls könnten auf absehbare Zeit viele nanoskalige Kommunikationsnetze mit dem Internet verbunden werden, wodurch die IoT-Welt auf IoNT erweitert wird. Tatsächlich ist IoNT eine lokale Weiterentwicklung des IoT, wo es notwendig ist oder wo es möglich ist. Und sowohl innerhalb lebender als auch nicht lebender Objekte und außerhalb.
Es ist leicht anzunehmen, dass solche technologischen Fähigkeiten zwangsläufig zunehmen werden. Es ist möglich, dass diese lokale Entwicklung eines Tages global wird und beispielsweise eine Art intelligentes Nanopulver über die Meere und Ozeane über Länder und Kontinente hinweg fliegt und Nanosensoren in fast jedem festen, flüssigen und losen Produkt vorhanden sind, um rechtzeitig zu informieren ob die Formulierung, das Klima, die Viskosität und andere Eigenschaften verletzt werden, ohne Informationen darüber, was ein Agent 007 gerade tut, auf dem Revers seiner Jacke, die ein High-Tech-Fleck ist. Und zum Beispiel, wenn gewöhnliche Parfums aufgrund intelligenter Nanopartikel erscheinen, signalisieren sie selbst rechtzeitig die Einhaltung eines bestimmten Geruchs und Medikamente - über ihre tatsächliche Wirkung auf den Körper.
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Studien zu vielversprechenden Technologien für die Telekommunikation haben sich beispielsweise bereits der Verwendung von Pheromonsubstanzen zugewandt, mit denen Vertreter der Flora und Fauna seit langem den Informationsaustausch gelernt haben. Wie würde es in einer 8G-Mobilkommunikation aussehen, wenn alle Nuancen der persönlichen Daten des Kundenstamms noch sensibler erfasst würden? - Nun, zum Beispiel so: Das Überwachungszentrum für den Kundenzufriedenheitsdienst stellte eine starke Veränderung des Geruchs fest, der von einem an einem bestimmten Punkt befindlichen Teilnehmer ausgeht, und die eingebaute künstliche Intelligenz, die dies als Schreck ansieht, wird an diesem Punkt als Notdienst bezeichnet. Wer weiß, werden im Laufe der Zeit Nanostrukturen in Form von Nanopulvern entstehen, die Pheromone imitieren?
Eine vor einigen Jahren von EMC veröffentlichte Studie aus dem digitalen Universum ergab, dass sich die Größe des digitalen Universums alle zwei Jahre verdoppelt. Und wenn IoT laut Prognosen Milliarden von Alltagsgegenständen und Geräten sind, die eindeutige Kennungen haben und automatisch Daten registrieren, sammeln und empfangen können, dann ist IoNT bereits mindestens Billionen von Nanogeräten.
Es wird erwartet, dass Änderungen in der Struktur der Nachfrage und innovative Anwendungen in den nächsten Jahren zu einem ernsthaften Anstieg der Nachfrage auf dem neuen Markt führen werden. Dies ist insbesondere dann zu erwarten, wenn in diesem Markt spannende Geschäftsmöglichkeiten geschaffen werden können. Der IoNT-Markt wird voraussichtlich bis 2020 auf 10 Mrd. USD wachsen, mit einer geschätzten jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,81%. Experten zufolge ist die Entwicklung des IoNT-Marktes auf drei Haupttreiber zurückzuführen: die Fortsetzung der allgegenwärtigen Netzwerkkonnektivität, staatliche Anreize und die bekannten Vorteile verbundener Geräte. Die Gewährleistung von Vertraulichkeit und Sicherheit sowie die erforderliche Größe der Investitionen in die Nanotechnologie dürften jedoch die stärksten Einschränkungen für die Entwicklung des globalen IoNT-Marktes darstellen. Trotz dieser Einschränkungen besteht bereits eine wachsende Nachfrage aus verschiedenen Industriezweigen, um die Chancen für den Weltmarkt zu erweitern.
Einer der größten Akteure auf dem IoNT-Markt ist jetzt die Intel Corporation, Cisco Systems Inc., Qualcomm Incorporated, Juniper Networks und IBM Corporation in den USA, Schneider Electric in Frankreich, SAP SE und Siemens AG in Deutschland und andere.
Vergangenheit IoNT
Wie Sie sich vorstellen können, hatte das Internet noch nie eine Vergangenheit im modernen Sinne der Vergangenheit. Wie sie sagen, es gab kein Internet, es gab nichts Neues - es gab kein Problem. Kommen wir jedoch später darauf zurück, aber beschäftigen wir uns vorerst mit den aktuellen Herausforderungen der fortschrittlichen Menschheit.
Echtes IoNT
Zumindest versteht ein moderner Mensch, warum IoNT verwendet werden kann und welche Vorteile es bringen könnte. Aber während alles noch in den Kinderschuhen steckt, ein Konzept entwickeln und Technologien auswählen. Glücklicherweise haben einige fortgeschrittene Unternehmen Zukunftsforscher und andere Marketing-Träumer. Spezialisten sind jedoch mehr daran interessiert, wie dies alles arrangiert wird und wie es funktionieren wird. Und während die Menschheit nichts anderes erfunden hat, sollte es wahrscheinlich alles „wie Erwachsene“ geben, dh die üblichen Komponenten, die vom „Nano“ ausgeführt werden: Kameras, Telefone, Skalarsensoren, Prozessoren, Speicherkarten, Netzteile, Antennen und Transceiver. Heutzutage arbeiten viele Entwickler hart an diesem Nano-Mosaik, damit es im Bild und in der Ähnlichkeit des Makrokosmos funktioniert, und nur dann wird es sich im Laufe der Zeit irgendwie ändern. Alles hängt von der Entwicklung neuer Technologien und deren Eindringen in unser Leben sowie vom Interesse der Endbenutzer an ihnen ab. Abhängig von der Anzahl der Dinge und ihrem Typ können verschiedene Technologien verwendet werden, um Informationen im Rahmen einer nahtlosen Datenübertragung zwischen Geräten zu sammeln, zu verarbeiten und auszutauschen.
Nanoobjekte sollten überall und jederzeit interagieren, und sie können selbst heterogen sein und sowohl mit IoT als auch mit IoNT arbeiten. Wie in der Geschichte mit dem Internet der Dinge sollte jedes Element des IoNT in der Wertschöpfungskette möglicherweise revolutionäre Änderungen und Optimierungen seiner Funktionalität durchlaufen. Angesichts der damit verbundenen Schwierigkeiten konvergieren Faktoren, die den IoNT-Markt stimulieren, häufig mit staatlicher Unterstützung, aber die bevorstehende Zunahme der Konnektivität ist auch für Markt- und Branchenführer nützlich.
Die Entwicklung der Nanotechnologie geht einher mit dem Aufkommen neuer Entwicklungen im Internet und in Sensornetzwerken. In den letzten Jahren hat sich die Richtung der Nanokommunikation herausgebildet, deren Ziel es ist, neue Paradigmen für die Interaktion von Nanogeräten zu schaffen, um deren Fähigkeiten und Anwendungsmethoden zu verbessern. Nanogeräte können jedoch nicht nur im Ad-hoc-Modus kommunizieren. Durch das Einbetten von Nanosensoren in verschiedene Objekte und Geräte, die Benutzer umgeben, kann das IoT-Konzept durch Hinzufügen von IoNT um eine neue Dimension erweitert werden. Solche Miniatursensoren mit Nanogröße können feinkörnige Daten aus Objekten oder schwer erreichbaren Bereichen liefern. Beispielsweise können Körpernanosensoren elektrokardiographische und andere lebenswichtige Signale sammeln und übertragen. In der Umgebung installierte Mikrosensoren können Informationen über Krankheitserreger und Allergene sammeln, die an einem bestimmten physischen Ort vorhanden sind. Wenn Sie diese beiden Datenquellen basierend auf IoNT kombinieren, können Sie eine genaue Diagnose erhalten und den Zustand des Patienten überwachen.
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Angesichts der Nanotechnologie hat die Ingenieurgemeinschaft jedoch eine Reihe neuer Werkzeuge für die Entwicklung nanoskaliger Komponenten mit beispielloser Funktionalität erhalten. Nun, die Integration mehrerer Nanokomponenten in einen einzigen Organismus mithilfe von Nanosystemen wird zur Entwicklung von immer mehr Nanomaschinen beitragen, die viele Anwendungen in den Bereichen Biomedizin, Umwelt, Industrie und Militär schaffen werden. Bis heute ist jedoch noch nicht ganz klar, wie Nanomaschinen miteinander kommunizieren, sondern auch wie sie Informationen mit größeren „Dingen“ austauschen. Als Reaktion auf diese Herausforderung hat sich in den letzten Jahren im Bereich der Nanotechnologie eine neue Richtung ergeben - Nanodrähte oder Kommunikation zwischen Nanogeräten: Nanokreise, Nanoroboter, Nanodrons, Nanomaschinen usw. Die Größe von Nanorobotern liegt übrigens zwischen 0,1 und 10 Mikrometer.
Tatsächlich werden viele Geräte immer kleiner und bald werden physische Objekte, die mit dem Internet verbunden sind, mit bloßem Auge nicht mehr leicht zu erkennen sein. Computer von der Größe eines Salzkorns umfassen eine Solarbatterie, eine Dünnschichtbatterie, einen Direktzugriffsspeicher, einen Drucksensor, ein drahtloses Funkgerät und eine Antenne; Camcorder in Korngröße arbeiten bereits mit der höchsten Auflösung. Sensoren von der Größe eines Staubflecks (0,05 x 0,005 mm) können Temperatur und Druck messen, Bewegungen erkennen und die empfangenen Daten übertragen.
Im Allgemeinen wird eines Tages mit dem Aufkommen echter IoNT-Erfolge das Leben besser, das Leben wird mehr Spaß machen.
Wie kann man das machen?
Es ist anzumerken, dass die Forschung in dieser Richtung so wichtig ist, dass sie sogar in die Liste der vorrangigen Arbeiten der berühmten amerikanischen Agentur für fortgeschrittene Verteidigungsforschungsprojekte DARPA aufgenommen wurde. Nun, Sie können all das auf verschiedene Arten implementieren.
Die Verbindung zwischen Nanonetzwerken und dem Internet erfordert die Entwicklung neuer technologischer Lösungen zur Schaffung von Schnittstellen zwischen Nano- und Makronetzwerken, die Entwicklung neuer Kommunikationsmethoden, Methoden zur Verarbeitung und Speicherung einer großen Menge von Daten, die in Nanonetzwerken zirkulieren, und neue Modelle von Datendiensten aus Nanoinformationsquellen. Der Prozess der Informationsübertragung im Nanobereich kann auf verschiedenen physikalischen Prinzipien beruhen: molekular, dh in einer biologischen Umgebung vorkommend, photonisch, akustisch und natürlich elektromagnetisch. Letzteres umfasst verschiedene Arten der Kommunikation: Femtozelle, ZigBee, Ultrabreitbandsignale, Li-Fi usw. Die Kommunikation selbst kann zwischen Geräten auf demselben Chip und zwischen solchen Kristallen sowie zum Erreichen des Mikropegels erfolgen.
Hier erweisen sich beispielsweise blinkende Lichter, die uns normalerweise nerven, als vorteilhaft. Visible Light Communication (VLC) oder Li-Fi, wie es auch genannt wird, verwendet Lichtimpulse, um Informationen drahtlos zu übertragen. Basierend auf den Li-Fi-LEDs hat es im Labor überraschend hohe Datenübertragungsraten erzielt und kann bereits mit herkömmlichem Wi-Fi mithalten. Übrigens wurden bereits 2005 mithilfe gentechnischer Methoden Neuronen erzeugt, die auf Licht einer bestimmten Farbe reagierten. Die entsprechende Technologie wurde als Optogenetik bezeichnet. Mit Lichtstrahlen in verschiedenen Farben können Sie bestimmte Neuronen ein- und ausschalten, um beispielsweise chronische Schmerzen zu behandeln oder den Patienten zu beruhigen. Ein wichtiger Faktor bei einer solchen Lichttherapie ist die Zeit, da dasselbe Signal, das einige Millisekunden früher oder später gesendet wird, die entgegengesetzte Bedeutung für das Gehirn des Patienten haben kann.
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Für Signalmänner sind die Prinzipien der elektromagnetischen Kommunikation jedoch viel vertrauter und verständlicher, und ihre Reichweite ist viel geringer. Sie sind definiert als das Senden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung von verschiedenen Komponenten auf der Basis neuer Nanomaterialien. Eine der Inkarnationen der heutigen Nanokommunikation ist das Paradigma der Entwicklung drahtloser Netzwerke auf einem Chip (Wireless Network on Chip, WiNoC), einschließlich der Übertragung von Daten zwischen Nanokreisen auf einem gemeinsamen Substrat. Natürlich ist dies noch kein IoNT, sondern etwas sehr Ähnliches in der Technologie, die auch eine eigene kleine Geschichte hat. Zu einer Zeit führte die Arbeit an einer Methodik zum Entwerfen von Multi-Core-Chips zur Idee, ein Network-on-Chip (Network on Chip, NoC) zu schaffen, und wurde zu einer wichtigen Richtung bei der Entwicklung von Systemen auf einem Chip (System on Chip, SoC). Und vor kurzem wandten sich die Augen von Experten WiNoC zu, das für die Nanotechnologie und die Schaffung von IoNT anwendbar ist.
Insbesondere das Problem der Sicherstellung des elektrischen Kontakts einer nanoelektronischen Vorrichtung oder Schaltung und eines Makroelements ohne signifikante Verluste in der im Nanobereich erreichbaren Stromdichte ist derzeit relevant. Es stellte sich heraus, dass das üblicherweise verwendete Verfahren zur lithografischen Herstellung von Kontaktflächen für die parallele Signalverarbeitung in großem Maßstab unwirksam ist und die Kombination vieler Nanosysteme auf einem einzigen Chip erfordert. Dieses Problem wird mit Hilfe der drahtlosen Kommunikation gelöst, wenn die Effekte der kapazitiven Kopplung zwischen Miniaturkontaktfeldern oder der induktiven Kopplung zwischen Spiralinduktoren genutzt werden.
Eine der am häufigsten verwendeten WiNoC-Implementierungen sieht das Vorhandensein von drahtlosen und herkömmlichen drahtgebundenen Signalleitungen in einem einzelnen Chip vor. In diesem Fall ist das gesamte System auf dem Chip herkömmlicherweise in Teilnetze von Kerngruppen unterteilt, in denen die Kommunikation über Drahtleitungen erfolgt.
Jedes dieser Subnetze ist mit einer Miniaturbasisstation (BS) ausgestattet, die das Senden und Empfangen von Datenpaketen über Funkkanäle von anderen Subnetzen ermöglicht. Alle Kerne im Subnetz sind über drahtgebundene Verbindungen mit ihrer BS verbunden. Das Datenpaket wird zwischen den Kernen verschiedener Subnetze zuerst lokal an die entsprechende BS, dann drahtlos an die BS der Untergruppe, in der sich der Adressat befindet, und dann auf der Drahtleitung zum Ziel übertragen. Die Integration der BS in das Funknetzwerk kann gemäß der Topologie des Sterns, der Schleife, des Maschennetzwerks usw. durchgeführt werden, d.h. so wie es normalerweise auf Makroebene gemacht wird. In komplexeren Lösungen können Abschnitte der verdrahteten Signalübertragung vollständig fehlen, obwohl die oben beschriebene Hybridimplementierung technologisch einfacher ist.
Jüngste Fortschritte in der Molekularphysik und insbesondere die neuen Kohlenstoff-Eigenschaften, die im Interesse der Elektronik anwendbar sind, haben die Tür zu einer neuen Generation elektronischer Nanokomponenten wie Nano-Akkumulatoren, Nano-Speicher, Logikschaltungen im Nanobereich und Nano-Antennen geöffnet. Übrigens beinhaltet die Miniaturisierung der klassischen Antenne (und nicht nur der Antenne) gemäß den Anforderungen an die Größe von Nanomaschinen die Verwendung sehr hoher Funkfrequenzen, was anscheinend die Machbarkeit solcher Netzwerke gefährden könnte.
Derzeit konzentriert sich die Forschung in der Nanotechnologie auf die Erhöhung der Bandbreite des Kommunikationskanals unter Verwendung von Ultrabreitbandsignalen, die den gesamten Terahertz-Frequenzbereich einnehmen (Terahertz = 1012 Hz). Verbindungen zwischen Nanomaschinen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Terabit pro Sekunde sind durchaus möglich, jedoch nur in Entfernungen von weniger als 1 Meter.In vielen vielversprechenden Anwendungen ist manchmal sogar noch mehr nicht erforderlich. Es ist wichtiger, einen Weg zu finden, um die Reichweite eines einzelnen Kommunikationsknotens zu erhöhen. Die Kanalkapazität im Terahertz-Bereich wird bereits untersucht, um ihr Potenzial zu bestimmen. Unter dem Gesichtspunkt der Kommunikation werden die in den neuen Nanomaterialien beobachteten einzigartigen Eigenschaften Anforderungen an bestimmte Hochfrequenzbänder, Verzögerungen und die Menge der abgestrahlten Leistung stellen. All diese Aufgaben implizieren grundlegende Änderungen des aktuellen Zustands auf dem Gebiet der analytischen Kanalmodelle, Netzwerkarchitekturen und Kommunikationsprotokolle und sind eine ernsthafte Quelle für die Eröffnung neuer wissenschaftlicher Forschung.
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