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"El futuro lo crea usted, pero no para usted".
(Los Hermanos Strugatsky "Cisnes feos")
Hasta hace poco, el concepto de Internet de las cosas (IoT - Internet of Things) parecía extraño para muchos, pero hoy los mejores representantes de la civilización ya han comenzado a hablar de Internet con algo nuevo (IoNT - Internet of NanoThings). De hecho, si es posible convertir cualquier "cosa" de un refrigerador a una persona en un elemento de red, entonces ¿por qué no moverse profundamente en el refrigerador o incluso en una persona? ¿Y qué hay de, por ejemplo, los productos? - Nada podrido? Al igual que sus camaradas más "grandes", las nanoempresas están unidas en redes a nanoescala, entre las que se destacan no solo las electromagnéticas, sino también las moleculares.
Dos internet
Hay una señal de este tipo: cuantas más bayas haya en la ceniza de montaña, más duro será el invierno. Hace un par de años en nuestro jardín no había bayas en la ceniza de la montaña, y, por ejemplo, la cebolla habitual estaba casi completamente sin cáscara (otro signo popular). Y prácticamente no había invierno. Parece una pregunta tan simple: ¿cómo sabe esto la ceniza de montaña y la cebolla? Si reflexionas sobre ello, resulta que la pregunta no es tan simple. Es posible que el rompecabezas de cenizas de montaña se resuelva penetrando dentro de estas plantas a nanoescala. Y muy pronto puede hacerse realidad.
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Hemos estado hablando de IoT durante mucho tiempo en el mundo, y es lógico que IoNT apareciera cuando ciertas "cosas" comenzaron a incluir microsensores, microprocesadores, antenas en miniatura y baterías de bajo costo. El surgimiento y desarrollo de IoNT está estrechamente relacionado con el progreso de la nanotecnología, que ahora a menudo se integra en varias verticales industriales, incluidas la defensa, el sector aeroespacial, la atención médica, la producción biomédica, industrial, e incluso más allá del entretenimiento y el comercio minorista. La fabricación de los dispositivos que utilizan estas tecnologías para intercambiar información es un sueño preciado de muchos especialistas que desean al menos saber sobre el flujo de diversos procesos tecnológicos en cualquier industria o sobre todos los cambios en el cuerpo humano. El desarrollo de nanomáquinas con capacidades de comunicación y su integración con dispositivos micro y macro da a nuestros ojos un nuevo paradigma de Internet que puede afectar a casi todas las esferas de la vida, desde la atención médica hasta la seguridad nacional. Y luego, incluso Big Brother obviamente recibirá al menos Little Brother para ayudar.
De hecho, la nanotecnología es una nueva industria dedicada al desarrollo de dispositivos extremadamente pequeños capaces de producir acciones simples. Al ser simples y realizar solo operaciones primitivas, las nanomáquinas individualmente no pueden trabajar con tareas complejas. De todos modos, adiós. Para garantizar el trabajo con aplicaciones más complejas, como la entrega de medicamentos al órgano deseado en el cuerpo humano, se requiere la capacidad de intercambiar información y comandos entre los objetos de la red y el controlador, lo que lleva a la necesidad de crear el concepto de redes. En el mismo concepto, es necesario prever la conexión entre IoNT e IoT, y la creación de tales interfaces, necesarias, por ejemplo, al pasar del cuerpo de una persona a una red de comunicación familiar, será una tarea interesante por separado.
En general, IoNT es un conjunto de nanodispositivos conectados de forma inalámbrica que tienen acceso a redes de comunicación y, sobre todo, a Internet. De lo contrario, muchas redes de comunicaciones a nanoescala podrían conectarse a Internet en el futuro previsible, expandiendo el mundo de IoT a IoNT. En realidad, IoNT es un desarrollo local adicional de IoT donde es necesario o donde es posible. Y tanto dentro de objetos vivos como no vivos, y afuera.
Es fácil asumir que tales capacidades tecnológicas inevitablemente aumentarán. Es posible que algún día este desarrollo local se vuelva global y, por ejemplo, algún tipo de nanopolvo inteligente volará a través de los mares y océanos a través de países y continentes, y los nanosensores estarán presentes en casi todos los productos sólidos, líquidos y a granel para informar a tiempo si se viola la formulación, el clima, la viscosidad y otras propiedades, sin excluir información sobre lo que está haciendo actualmente el Agente 007, en la solapa de su chaqueta, que es una mota de alta tecnología. Y, por ejemplo, con la aparición de perfumes ordinarios, debido a las nanopartículas inteligentes, ellos mismos señalarán a tiempo sobre el cumplimiento de un olor determinado y los medicamentos, sobre su efecto real en el cuerpo.
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Los estudios de tecnologías prometedoras para las telecomunicaciones ya han abordado, por ejemplo, el uso de sustancias de feromonas, con las cuales los representantes de la flora y la fauna han aprendido durante mucho tiempo a intercambiar información. ¿Cómo se vería en algunas comunicaciones móviles 8G, capturando aún más sensiblemente todos los matices de los datos personales de la base de clientes? - Bueno, por ejemplo, así: el centro de monitoreo del servicio de satisfacción del cliente notó un cambio brusco en el olor que emanaba de un suscriptor ubicado en un punto particular, y la inteligencia artificial incorporada, con respecto a esto como un susto, se llamaba servicios de emergencia en ese punto. Quién sabe, ¿se crearán nanoestructuras en forma de nanopolvos que imitan feromonas con el tiempo?
Un estudio del Universo digital publicado hace unos años por EMC dijo que el tamaño del universo digital se duplica cada 2 años. Y si, según las previsiones, IoT son miles de millones de objetos y dispositivos cotidianos que tienen identificadores únicos y pueden registrar, recopilar y recibir datos automáticamente, entonces IoNT ya tiene al menos billones de nanodispositivos.
Se espera que los cambios en la estructura de la demanda y las aplicaciones innovadoras creen un aumento considerable de la demanda en el nuevo mercado en los próximos años. Esto es especialmente de esperar cuando sea posible crear oportunidades de negocios emocionantes en este mercado. Se espera que el mercado de IoNT crezca a $ 10 mil millones para 2020, con una tasa de crecimiento anual (CAGR) agregada estimada de 22.81%. Según los expertos, el desarrollo del mercado de IoNT se debe a tres factores principales: la continuación de la conectividad de red ubicua, los incentivos gubernamentales y las conocidas ventajas de los dispositivos conectados. Sin embargo, garantizar la confidencialidad y la seguridad, así como el tamaño requerido de las inversiones en nanotecnología, se espera que sean las restricciones más poderosas para el desarrollo del mercado global de IoNT. Sin embargo, a pesar de estas limitaciones, ya existe una creciente demanda de varias verticales industriales en aras de ampliar las oportunidades para el mercado global.
Uno de los principales actores en el mercado de IoNT es ahora Intel Corporation, Cisco Systems Inc., Qualcomm Incorporated, Juniper Networks e IBM Corporation en los EE. UU., Schneider Electric en Francia, SAP SE y Siemens AG en Alemania y otros.
IoNT pasado
Como puede suponer, Internet nunca ha tenido un pasado en el sentido moderno del pasado. Como dicen, no había Internet, no había nada nuevo, no había problema. Sin embargo, volvamos a esto más tarde, pero por ahora, lidiemos con los desafíos actuales de la humanidad progresiva.
IoNT real
Por lo menos, una persona moderna comprende por qué IoNT puede usarse y qué beneficios podría aportar. Pero mientras todo está en pañales, desarrollar un concepto y elegir tecnologías. Afortunadamente, algunas empresas avanzadas tienen futurólogos y otros soñadores de marketing. Sin embargo, los especialistas están más interesados en cómo se organizará todo esto y cómo funcionará. Y aunque la humanidad no ha inventado nada más, probablemente debería haber todo "como adultos", es decir, los componentes habituales realizados por el "nano": cámaras, teléfonos, sensores escalares, procesadores, tarjetas de memoria, fuentes de alimentación, antenas y transceptores. Hoy, muchos desarrolladores están trabajando duro en este nano-mosaico para que funcione a imagen y semejanza del macrocosmos, y solo así cambiará de alguna manera con el tiempo. Todo depende del desarrollo de nuevas tecnologías y su penetración en nuestras vidas, así como del interés de los usuarios finales en ellas. Dependiendo de la cantidad de cosas y su tipo, se pueden usar varias tecnologías para recopilar, procesar e intercambiar información en el marco de la transferencia de datos sin interrupciones entre dispositivos.
Los nanoobjetos deben interactuar en cualquier lugar, en cualquier momento, y ellos mismos pueden ser heterogéneos, trabajando tanto con IoT como con IoNT. Como en la historia de Internet de las cosas, cada elemento de la IoNT en la cadena de valor debería pasar, quizás, por cambios revolucionarios y la optimización de su funcionalidad. Dadas las dificultades concomitantes, los factores que estimulan el mercado IoNT a menudo convergen en el apoyo del gobierno, pero el próximo aumento en la conectividad también es útil para los líderes del mercado y de la industria.
El desarrollo de la nanotecnología va de la mano con la llegada de nuevos desarrollos en Internet y redes de sensores. En los últimos años, ha surgido la dirección de las nanocomunicaciones, cuyo propósito es crear nuevos paradigmas para la interacción de los nanodispositivos para mejorar sus capacidades y métodos de aplicación. Sin embargo, los nanodispositivos pueden comunicarse no solo en modo ad hoc. Incrustar nanosensores en varios objetos y dispositivos que rodean a los usuarios puede agregar una nueva dimensión al concepto de IoT al agregar IoNT. Dichos sensores en miniatura de tamaño nanométrico pueden entregar datos de grano fino desde dentro de objetos o áreas de difícil acceso. Por ejemplo, los nanosensores corporales pueden recolectar y transmitir señales electrocardiográficas y otras señales vitales. Los microsensores instalados en el entorno pueden recopilar información sobre patógenos y alérgenos presentes en una ubicación física particular. Si combina estas dos fuentes de datos basadas en IoNT, puede obtener un diagnóstico preciso y controlar la condición del paciente.
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Sin embargo, frente a la nanotecnología, la comunidad de ingenieros ha recibido un nuevo conjunto de herramientas para desarrollar componentes a nanoescala con una funcionalidad sin precedentes. Bueno, la integración de varios nanocomponentes en un solo organismo con la ayuda de nanosistemas contribuirá al desarrollo de más y más nanomáquinas, lo que creará muchas aplicaciones en campos biomédicos, ambientales, industriales y militares. Sin embargo, hoy todavía no está completamente claro, no solo cómo las nanomáquinas se comunicarán entre sí, sino también cómo intercambiarán información con "cosas" más grandes. En respuesta a este desafío en los últimos años, ha aparecido una nueva dirección en el campo de la nanotecnología: nanocables o comunicaciones entre nanodispositivos: nanocircuitos, nanorobots, nanodrones, nanomáquinas, etc. El tamaño de los nanorobots, por cierto, es de 0.1 a 10 micras.
En realidad, muchos dispositivos se están volviendo cada vez más pequeños y pronto los objetos físicos conectados a Internet no serán fáciles de notar a simple vista; las computadoras del tamaño de un grano de sal incluirán una batería solar, una batería de película delgada, memoria de acceso aleatorio, un sensor de presión, un dispositivo de radio inalámbrico y una antena; las videocámaras del tamaño de un grano ya funcionan con la resolución más alta; Los sensores del tamaño de una mota de polvo (0.05x0.005 mm) pueden medir la temperatura y la presión, reconocer el movimiento y transmitir los datos recibidos.
En general, algún día, con la llegada de los verdaderos éxitos de IoNT, la vida será mejor, la vida será más divertida.
Como hacerlo
Cabe señalar que la investigación en esta dirección es tan importante que incluso entró en la lista de trabajos prioritarios de la famosa agencia estadounidense de proyectos avanzados de investigación de defensa DARPA. Bueno, puede implementar todo lo anterior de diferentes maneras.
La interconexión entre nano redes e Internet requiere el surgimiento de nuevas soluciones tecnológicas para crear interfaces entre nano y macro redes, el desarrollo de nuevos métodos de comunicación, métodos para procesar y almacenar una gran cantidad de datos que circulan en nano redes y nuevos modelos de servicio de datos a partir de nano fuentes de información. El proceso de transmisión de información a nanoescala puede basarse en varios principios físicos: molecular, es decir, que ocurre en un entorno biológico, fotónico, acústico y, por supuesto, electromagnético. Este último incluye varios tipos de comunicación: femtocelda, ZigBee, señales de banda ultra ancha, Li-Fi, etc. La comunicación en sí puede llevarse a cabo entre dispositivos ubicados en el mismo chip, y entre tales cristales, así como para alcanzar el micro nivel.
Aquí, por ejemplo, las luces intermitentes, que generalmente nos molestan, resultan beneficiosas. Visible Light Communication (VLC) o Li-Fi, como también se le llama, utiliza pulsos de luz para transmitir información de forma inalámbrica. Basado en los LED de Li-Fi, ha logrado tasas de transferencia de datos sorprendentemente altas en el laboratorio y ya puede competir con el Wi-Fi convencional. Por cierto, en 2005, utilizando métodos de ingeniería genética, se crearon neuronas que respondían a la luz de un determinado color, la tecnología correspondiente se denominó optogenética. Los rayos de luz de varios colores le permiten activar y desactivar neuronas específicas para, por ejemplo, tratar el dolor crónico o calmar al paciente. Un factor importante en dicha terapia de luz es el tiempo, porque la misma señal enviada unos pocos milisegundos antes o después puede tener el significado opuesto para el cerebro del paciente.
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Sin embargo, para los encargados de las señales, los principios de la comunicación electromagnética son mucho más familiares y comprensibles en un rango mucho más bajo. Se definen como la transmisión y recepción de radiación electromagnética de varios componentes basados en nuevos nanomateriales. Una de las encarnaciones de las nanocomunicaciones que se implementan hoy es el paradigma del desarrollo de redes inalámbricas en un chip (Wireless Network on Chip, WiNoC), incluida la transferencia de datos entre nanocircuitos ubicados en un sustrato común. Por supuesto, esto aún no es IoNT, sino algo muy similar en tecnología, que también tiene su propia pequeña historia. En un momento, trabajar en una metodología para diseñar chips multi-core llevó a la idea de crear una red en chip (Network on Chip, NoC) y se convirtió en una dirección importante en el desarrollo de sistemas en un chip (System on chip, SoC). Y recientemente, los ojos de los expertos recurrieron a WiNoC, que es aplicable para la nanotecnología y para la creación de IoNT.
En particular, el problema de asegurar el contacto eléctrico de un dispositivo o circuito nanoelectrónico y cualquier macro elemento sin pérdidas significativas en la densidad de corriente alcanzable en la nanoescala es actualmente relevante. Resultó que el método comúnmente utilizado de producción litográfica de almohadillas de contacto es ineficaz para el procesamiento de señales paralelas a gran escala, que requiere la combinación de muchos nanosistemas en un solo chip. Este problema se resuelve con la ayuda de la comunicación inalámbrica, cuando se usan los efectos del acoplamiento capacitivo entre almohadillas de contacto en miniatura o el acoplamiento inductivo entre inductores en espiral.
Una de las implementaciones de WiNoC más comunes proporciona la presencia en un solo chip de líneas de señal cableadas tanto inalámbricas como tradicionales. En este caso, todo el sistema en el chip se divide convencionalmente en subredes de grupos de núcleos, dentro de los cuales la comunicación se lleva a cabo mediante líneas de cable.
Cada subred de este tipo está equipada con una estación base en miniatura (BS), que proporciona la transmisión y recepción de paquetes de datos a través de canales de radio desde otras subredes. Todos los núcleos en la subred están conectados a su BS a través de enlaces alámbricos. El paquete de datos se transmite entre los núcleos de diferentes subredes primero localmente a la BS correspondiente, luego por aire a la BS del subgrupo en el que se encuentra el destinatario y luego en la línea de cable al destino. La integración de la BS en la red de radio se puede realizar de acuerdo con la topología de la estrella, el bucle, la red de malla, etc., es decir. tal como se hace generalmente a nivel macro. En soluciones más complejas, las secciones de la transmisión de señal cableada pueden estar completamente ausentes, aunque la implementación híbrida descrita anteriormente es tecnológicamente más simple.
Los recientes avances en física molecular y, en particular, las nuevas propiedades de carbono aplicables en interés de la electrónica han abierto la puerta a una nueva generación de nanocomponentes electrónicos como nanoacumuladores, nano-memoria, circuitos lógicos a nanoescala y nano-antenas. Por cierto, la miniaturización de la antena clásica (y no solo la antena) de acuerdo con los requisitos para el tamaño de las nanomáquinas implica el uso de frecuencias de radio muy altas, lo que, al parecer, podría poner en peligro la viabilidad de tales redes.
Actualmente, la investigación en nanotecnologías se centra en aumentar el ancho de banda de un canal de comunicación utilizando señales de banda ultra ancha que ocupan todo el rango de frecuencia de terahercios (terahercios = 1012 Hz). Las conexiones entre nanomáquinas con velocidades de varios terabits por segundo son bastante posibles, pero solo a distancias muy inferiores a 1 metro. , . . . , , , , . , , .
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