纳米事物互联网的纳米介绍。 第一部分


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“未来是您创造的,而不是您创造的。”
(Strugatsky兄弟的《丑小天鹅》)


直到最近,物联网(IoT-物联网)的概念在许多人看来还很陌生,但是今天,文明的最佳代表已经开始用新事物谈论互联网(IoNT-NanoThings的互联网)。 实际上,如果有可能将冰箱中的任何“东西”变成一个人,变成一个网络元素,那么为什么不深入冰箱甚至一个人呢? 那产品呢? -没烂吗? 像它们的“大型”同志一样,纳米企业被联合在纳米级网络中,其中不仅有电磁技术,还有分子技术。


两次上网


有这样的迹象-山灰上的浆果越多,冬天越严酷。 几年前,在我们的花园里,山灰上根本没有浆果,例如,普通的洋葱几乎完全没有皮(另一个受欢迎的标志)。 几乎没有冬天。 似乎有一个简单的问题-山灰和洋葱怎么知道这一点? 如果您对此进行反思,事实证明问题并不是那么简单。 通过在纳米植物内部渗透这些植物,可以解决山灰的难题。 而且它可能很快就会成为现实。



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我们在世界上讨论物联网已有很长时间了,当某些“事物”开始包括廉价的微传感器,微处理器,微型天线和电池时,出现IoNT是合乎逻辑的。 IoNT的出现和发展与纳米技术的发展密切相关,纳米技术现在经常嵌入到各个工业垂直领域,包括国防,航空航天,医疗保健,生物医学,工业生产,甚至还涉及娱乐和零售。 制造使用这些技术来交换信息的设备是许多专家的梦想,他们至少要了解任何行业中各种技术过程的流程或人体的所有变化。 具有通信功能的纳米机器的发展以及它们与微型和宏设备的集成,为我们带来了一种新的互联网范例,该范例可以影响从医疗保健到国家安全的几乎所有生活领域。 然后,即使是“老大哥”也显然会至少获得“小老兄”的帮助。


实际上,纳米技术是一个新兴产业,致力于开发能够产生简单动作的超小型设备。 简单且仅执行原始操作,纳米计算机无法单独处理复杂的任务。 拜拜 为了确保使用更复杂的应用程序,例如将药物输送到人体所需的器官,需要在网络对象和控制器之间交换信息和命令的能力,这导致需要创建网络概念。 在相同的概念中,有必要预见IoNT和IoT之间的连接,例如在从人的身体移动到我们熟悉的通信网络时,创建此类接口是一项单独的有趣任务。


通常,IoNT是一组无线连接的纳米设备,可以访问通信网络,最重要的是可以访问Internet。 否则,在可预见的将来,许多纳米级通信网络可以连接到Internet,从而将IoT世界扩展到IoNT。 实际上,IoNT是物联网在必要或可能的地方的进一步发展。 以及内部和外部生物。


可以很容易地假设这种技术能力将不可避免地增加。 可能有一天,这种本地化发展将成为全球性的,例如,某种智能纳米粉末将飞越各国和各大洲的海洋,纳米传感器将出现在几乎所有固体,液体和散装产品中,以便及时提供信息。在高科技斑点的夹克翻领上是否违反了配方,气候,粘度和其他属性,不排除有关任何特工007当前正在做什么的信息。 并且,例如,由于具有智能纳米粒子,普通香水的出现使它们本身能够及时发出信号,告知它们是否符合给定的气味和药物-有关其对人体的实际影响。



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对有前景的电信技术的研究已经解决了例如信息素物质的使用问题,长期以来,动植物群的代表已经学会了如何交流信息。 它在某些8G移动通信中的外观如何,甚至更敏感地捕获了客户个人数据的所有细微差别? -好吧,例如这样:客户满意度服务监控中心注意到位于特定地点的订户发出的气味急剧变化,并且内置的人工智能将其视为一种恐惧,当时称为紧急服务。 谁知道,随着时间的流逝,会形成模仿信息素的纳米粉形式的纳米结构吗?


EMC几年前发表的《数字宇宙》研究表明,数字宇宙的规模每两年增加一倍。 而且,根据预测,如果物联网是数十亿个具有唯一标识符并且可以自动注册,收集和接收数据的日常对象和设备,那么IoNT已经是至少数万亿个纳米设备。


预计需求结构和创新应用的变化将在未来几年内导致新市场需求的严重增加。 尤其可以预料,这将有可能在这个市场上创造令人兴奋的商业机会。 到2020年,IoNT市场预计将增长到100亿美元,预计年平均总增长率(CAGR)为22.81%。 专家认为,IoNT市场的发展归因于三个主要驱动因素:无处不在的网络连接的持续性,政府的激励措施以及互联设备的众所周知的优势。 尽管如此,确保机密性和安全性以及所需的纳米技术投资规模预计将成为全球IoNT市场发展的最强大约束。 但是,尽管有这些限制,但是为了扩大全球市场的机会,各个垂直行业的需求已经增长。


IoNT市场上最大的参与者之一是英特尔公司,思科系统公司,高通公司,美国的瞻博网络和IBM公司,法国的施耐德电气,德国的SAP SE和西门子公司等。


过去的信息


就像您可能猜到的那样,Internet从来没有过去的现代意义。 正如他们所说,没有互联网,没有新事物-没有问题。 但是,让我们稍后再回到这一点,但就目前而言,让我们来应对当前人类进步的挑战。


真实信息


至少,一个现代人知道为什么可以使用IoNT及其带来的好处。 但是,尽管一切还处于起步阶段,但要开发一个概念并选择技术。 幸运的是,一些先进的公司拥有未来学家和其他营销梦想家。 但是,专家对所有这些如何安排以及如何运作更感兴趣。 尽管人类还没有发明任何东西,但可能应该有“像成年人一样的东西”,即“纳米”所执行的通常组件:照相机,电话,标量传感器,处理器,存储卡,电源,天线和收发器。 如今,许多开发人员正在为这种纳米马赛克而努力,以便使其能够以大宇宙的图像和相似形式工作,只有这样,它才会随着时间的流逝而发生变化。 这一切都取决于新技术的发展及其对我们生活的渗透,以及最终用户对它们的兴趣。 根据事物的数量及其类型,可以在设备之间进行无缝数据传输的框架中使用各种技术来收集,处理和交换信息。


纳米对象应该在任何地方,任何时间进行交互,并且它们本身很可能是异构的,可以与IoT和IoNT协同工作。 就像物联网的故事一样,价值链中IoNT的每个元素都应该经历革命性的变化和功能的优化。 鉴于随之而来的困难,刺激IoNT市场的因素通常会汇聚到政府的支持下,但是即将出现的连接性增加对于市场和行业领导者也很有用。


纳米技术的发展与互联网和传感器网络的新发展并驾齐驱。 近年来,纳米通信的方向已经出现,其目的是为纳米器件的相互作用创造新的范例,以改善其性能和应用方法。 但是,纳米设备不仅可以在临时模式下进行通信。 将纳米传感器嵌入到用户周围的各种对象和设备中,可以通过添加IoNT为IoT概念增加新的维度。 此类微型纳米传感器可以从对象或难以到达的区域内传递细粒度的数据。 例如,人体纳米传感器可以收集并传输心电图和其他重要信号。 安装在环境中的微传感器可以收集有关特定物理位置中存在的病原体和过敏原的信息。 如果将基于IoNT的这两个数据源结合在一起,则可以得到准确的诊断并监视患者的状况。



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尽管如此,面对纳米技术,工程界已经收到了一套用于开发具有空前功能的纳米级组件的新工具。 好吧,借助纳米系统将几种纳米成分整合到一个生物体中,将有助于开发越来越多的纳米机器,这将在生物医学,环境,工业和军事领域中产生许多应用。 但是,今天,还不完全清楚,不仅是纳米机器如何相互通信,而且它们如何与更大的“事物”交换信息。 为响应近年来的这一挑战,纳米技术领域出现了一个新的方向-纳米线或纳米设备之间的通信:纳米电路,纳米机器人,纳米机,纳米机器等。顺便说一下,纳米机器人的尺寸为0.1到10微米。


实际上,许多设备正变得越来越微型化,很快就很难用肉眼注意到连接到Internet的物理对象。 一粒盐大小的计算机将包括太阳能电池,薄膜电池,随机存取存储器,压力传感器,无线电设备和天线; 颗粒大小的便携式摄录机已经以最高分辨率运行; 灰尘大小为0.05x0.005 mm的传感器可以测量温度和压力,识别运动并传输接收到的数据。


总的来说,有一天,随着真正的IoNT成功的到来,生活会变得更好,生活会变得更加有趣。


怎么做?


应当指出,这一方向的研究是如此重要,以至于它甚至进入了美国著名的高级防御研究项目DARPA机构的优先工作清单。 好了,您可以采用不同的方式实现上述所有功能。


纳米网络和Internet之间的互连要求出现新技术解决方案,以在纳米网络和宏网络之间创建接口,开发新的通信方法,处理和存储纳米网络中循环的大量数据的方法以及来自纳米信息源的新数据服务模型。 纳米级信息的传输过程可以基于各种物理原理:分子,即在生物环境中发生的分子,光子,声波,当然还有电磁波。 后者包括各种类型的通信:飞蜂窝,ZigBee,超宽带信号,Li-Fi等。通信本身可以在位于同一芯片上的设备之间以及在此类晶体之间进行,并且可以达到微级。


例如,在这里,通常使我们烦恼的闪光灯是有益的。 也称为可见光通信(VLC)或Li-Fi,它使用光脉冲来无线传输信息。 基于Li-Fi LED,它在实验室中实现了惊人的高数据传输速率,并且已经可以与传统的Wi-Fi竞争。 顺便说一句,早在2005年,使用基因工程方法,就产生了对某种颜色的光作出反应的神经元,相应的技术被称为光遗传学。 各种颜色的光线使您可以打开和关闭特定的神经元,例如治疗慢性疼痛或抚慰患者。 这种光疗的一个重要因素是时间,因为同一信号在几毫秒或更晚的时间内发送给患者的大脑可能具有相反的含义。



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但是,对于信号员而言,电磁通信的原理在范围上要低得多,因此更加熟悉和理解。 它们被定义为基于新型纳米材料的各种组件的电磁辐射的传输和接收。 当今正在实现的纳米通信的化身之一就是在芯片上开发无线网络(无线片上无线网络,WiNoC)的范例,其中包括在位于同一基板上的纳米电路之间传输数据。 当然,这还不是IoNT,而是技术上非常相似的东西,它也有自己的悠久历史。 一次,致力于设计多核芯片的方法论引发了创建片上网络(Network on Chip,NoC)的想法,并成为片上系统(System on chip,SoC)开发的重要领域。 最近,专家们把目光转向了WiNoC,它适用于纳米技术和IoNT的创建。


特别地,当前涉及确保纳米电子器件或电路与任何宏元件的电接触而不会在纳米级获得的电流密度的显着损失的问题。 事实证明,通常使用的光刻法生产接触垫对大规模并行信号处理无效,需要在单个芯片上组合多个纳米系统。 当使用微型接触垫之间的电容耦合或螺旋电感器之间的电感耦合时,借助无线通信可以解决此问题。


最常见的WiNoC实施方案之一是在单个芯片中提供无线和传统有线信号线。 在这种情况下,通常将芯片上的整个系统划分为原子核组的子网,在内部通过有线线路进行通信。


每个这样的子网都配备有一个微型基站(BS),该微型基站通过无线信道提供来自其他子网的数据包的传输和接收。 子网中的所有核心都通过有线链路连接到其BS。 数据分组首先在不同子网的核心之间本地传输到相应的BS,然后通过空中传输到收件人所在的子组的BS,然后在有线路上到达目的地。 可以根据星形,环形,网状网络等的拓扑结构,即,将BS集成到无线电网络中。 就像通常在宏级别上所做的一样。 在更复杂的解决方案中,尽管上面描述的混合实现在技术上更简单,但是可能完全缺少有线信号传输的各个部分。


分子物理学的最新进展,尤其是为电子学应用的新碳特性,为新一代电子纳米组件打开了大门,例如纳米累加器,纳米存储器,纳米级逻辑电路和纳米天线。 顺便说一句,根据对纳米机器尺寸的要求,传统天线(不仅是天线)的小型化涉及到非常高的射频的使用,这似乎会危害此类网络的可行性。


当前,对纳米技术的研究集中于使用占据整个太赫兹频率范围(太赫兹= 1012 Hz)的超宽带信号来增加通信信道的带宽。 每秒几兆兆比特的速度的纳米机器之间的连接是完全可能的,但是距离只有不到1米。 , . . . , , , , . , , .


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Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN412835/


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