什麼是智能灰塵，它如何使用？
想象一下傳感器雲，每粒沙子甚至更小，吹風，吹風，猛烈地吹著颶風風和在風暴上的數據到下麵的氣象站。圖片一個嵌入到a中的看不見的傳感器網絡智能城市監控交通，道路麵損壞和識別可用停車位的道路 - 實時所有。或數十億納米傳感器分布在森林和其他地區，帶有火災危害，在開始時發現火災。或設想可編程智能灰塵，當在渦輪葉片中檢測到不可見的微裂紋時觸發警報信號。
智能粉塵是指亞毫米級自主計算和傳感平台的無線網絡，不大於一粒沙子。智能灰塵感測並記錄其環境的數據，如光，溫度，聲音，毒素或振動的存在，並將該數據無線傳輸到更大的計算機係統。
智能灰塵是網絡化未來的願景，智能網絡數萬億的微型傳感器連續感受，味道，嗅覺，看，並聽到周圍環境中發生的事情，互相溝通並交換信息。智能塵埃網絡是最終的物聯網（IoT）設備。
智能灰塵是革命性的，因為傳感器足夠小，即使在狹窄和困難的地區也足以放置任何地方。另一個巨大的優點是這些設備在沒有任何人類幹預的情況下工作，因為它們是預先編程的，盡管它們的小尺寸，但有自己的電源。
這項技術預計不僅監控建築控製，管道，工廠設備和藥物製作過程，而且還將導致最終用戶附近的無處不在的自主人工智能計算，例如認證，醫療程序和醫療保健監測，傳感和跟蹤，工業和供應鏈監控，防禦應用。
雖然智能灰塵設備不太塵埃尺寸領域，但研究人員希望通過通過灰塵縮小這些裝置納米技術。
在經濟上可行，這種單用設備必須便宜（我們正在談論便士甚至一分錢），甚至比目前用於跟蹤倉庫庫存的射頻識別標簽的便宜。
智能灰塵如何工作以及它做什麼？
智能灰塵網絡包含一個節點（稱為“MOTE”），將傳感，計算，無線通信能力和自主電源組合在一個小包裝中，其體積為小立方毫米甚至更少。
智能灰塵是基於微機電係統或MEMS。MEMS由機械（杠杆，彈簧，膜等）的任何組合組成，電氣（電阻器，電容器，電感器等）組件作為傳感器或致動器。將來，作為製造技術的推進，這將縮小到NEMS - 納米機電係統。
使用傳統的矽微製造技術構造的絲印，並且可以保持懸掛在類似於灰塵的環境中（因此名稱）。
蟎蟲，尺寸小於1毫米，接近微尺度齒輪鏈。（圖片：桑迪亞國家實驗室）
每種MOTE可以無人看管，收集環境數據，如光，溫度，壓力，振動，毒素等存在等，並將這些數據無線傳輸到更大的遠程計算機係統 - 或者，或者根據MOTE的計算電源，過程將此數據傳輸到更大的，遠程計算機係統它直接在數據收集點。
例如，在工業環境中，智能灰塵傳感器中繼信號回到命令計算機，然後將數據編譯為向工廠管理者提供反饋。或者結果可以觸發自動響應，例如關閉建築物的溫度或減少水流。
另一個例子是DARPA的盾牌計劃該計劃使用微米芯片跟蹤並驗證防禦應用程序的計算機芯片供應鏈。目標是通過使偽造太複雜和耗時來消除電子供應鏈中的假冒集成電路。屏蔽旨在將NSA級加密，傳感器，近場功率和通信組合到能夠插入集成電路的包裝中的微小芯片中。
智能塵埃概念的起源
首先在20世紀90年代被克裏斯佩瑟博士在20世紀90年代構思了“智能塵埃”。伯克利加州大學電氣工程教授是一種部署智能無線傳感器的簡單方法。
當時，Perter想象一個普遍存在的傳感器可以測量可以測量的一切的世界。立即，他考慮了天氣跟蹤等環境應用（從2000年閱讀他的概念文件：新興挑戰：“智能塵埃”的移動網絡）。
但它並沒有令人驚訝的是，這是軍事推動的動力和融資，以發展智能塵埃。1992年，DARPA資助Perd Pers在智能塵埃項目中的研究（您可以閱讀原始提案這是PDF.）。
智能粉塵戰場傳感器網絡示意圖，如DARPA的智能灰塵項目所示：覆蓋平方公裏的數千個傳感器節點由自動直升機提供。它們追蹤車輛的運動時間數小時/天，並在手持接收器或直升機的接收器詢問時報告疊加在實時視頻的信息。
智能塵埃膜的組成部分
非常基本上，每個MOTE由四個設備類組成：傳感器，電路，通信和電源。在無線傳感器節點中，這將概念性地看起來像這樣的示意圖：
無線傳感器節點的係統設計示例。它由3D印刷功能多維數據集包組成，包含多個噴墨印刷傳感器和天線。電路板也已被3D打印並包含包裝中的微電子。（資料來源：DOI 10.1002 / ADMT.201700051）
整個包包含一個或多個MEMS或NEM傳感器為了執行檢測和測量振動，溫度，壓力，聲音，光，磁場等的檢測和測量物的主要傳感目的。電路（微控製器）與傳感器和過程和存儲數據接口。溝通理想地包括發射器和3D天線，其確保所有方向上的等於輻射，從而能夠取向不敏感通信。電源對於整個MOTE，根據操作麵積，可以是太陽能電池陣列或某種形式的薄膜電池或超級電容器。
整個包裝如下所示：
閱讀更多關於此信息3D印刷，完全集成的無線傳感器設備。
雖然上述示例中的立方體尺寸在每側21毫米，但它說明了智能塵埃膜的基本概念和組件架構。不可避免的小型化將最終導致這些器件的亞微米尺度。
以下是更多的兩個示例，縮小素線如何導致令人難以置信的微小部件。
3D印刷的微觀鏡頭係統
掃描電子顯微鏡圖像的六角形鏡片布置。每個雙重透鏡係統的直徑為120μm，高度為128μm。秤杆，100μm。（資料來源：DOI 10.1038 / Nphoton.2016.121）
研究人員已經證明了大約100微米的尺寸的完全工作的多鏡頭目標，大致含鹽的大小，可能導致具有自主視覺的智能灰塵。鏡片顯示出前所未有的性能和高光學質量，分辨率最多可用於每毫米的500線對成像應用。
粉塵電源
諸如較小的微電子組件的亞底計範圍內的較小的能量存儲裝置是主要的技術挑戰。盡管如此，研究人員必須持續減少尺寸，正如這個例子納米普普帕卡特顯示 - 它是灰塵斑點的大小但包裝AAA電池的電壓：
指尖上的90個管狀超級電容器中的每一個都容納1個隻有1納升（0.001mm3.）但可提供高達1.6 V電源電壓。
神經智能塵埃
授予，此申請進一步出來，但研究人員積極致力於致力於致力於努力。而且，再次，軍隊通過Darpa的刺激了這一點電氣處方（ELECTRX）程序。
研究人員開發了一種安全，毫米級的無線設備，足夠小以植入個體神經中，能夠檢測身體內部的神經和肌肉的電活動，並且使用超聲波電力耦合和通信。他們稱之為這些設備神經塵埃。
每個神經粉塵傳感器僅由三個主要部分組成：一對電極測量神經信號，自定義晶體管放大信號，以及壓電晶體，用於將外部產生的超聲波的機械功率轉換為電力的雙重目的並溝通記錄的神經活動。
雖然沒有網絡，但研究人員已經證明了可行性將電腦芯片插入單個單元格。但是你可以想象在哪裏可以去......（親愛的陰謀理論家：請不要向我們發送您的評論！）。
現狀和挑戰
研究人員的主要挑戰是努力缺乏足夠的力量對小型足跡以及將電力係統集成到這些高度縮放的設備中的困難。由於電池技術的存儲密度沒有遵循Moore的定律縮放趨勢，因此IOT係統需要依賴來自外部來源的電源轉換，例如熱，振動，光或無線電波。
然而，作為納米電子和包裝技術的發展，現在可能是我們開始重新思考這些問題的解決方案，並比最初提出的更強大的小型計算機係統進步。
將各種納米電子小芯片 - 如處理器，記憶和光伏集成的能力 - 在工業規模的晶圓級包裝過程中，創造太陽能供電的智能灰塵，解鎖具有高性能和超級成本的這些緊湊型集成係統的大規模製造的潛力。
智能塵埃的應用
廣泛的智能灰塵應用程序使得不可能在單個文章中提供詳細描述。所以我們隻需列出以下一些主要領域：
氫解離和吸收在鈀表麵上的動畫。智能灰塵（二氧化矽殼 - 分離的金納米粒子）通過其散射光譜中的光譜移位報告了當地化學環境的變化。（資料來源：Sven Hein，第4屆物理研究所，斯圖加特大學）
智能塵埃風險和擔憂
廣泛采用智能灰塵將帶來一個風險的巨頭：
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隱私。許多人對智能塵埃的真實含義有關隱私問題的保留。智能灰塵裝置將變得如此之小，因為它們對我們的肉眼看不見，因此，極難檢測。它們可以被編程以記錄它們的傳感器能夠（具有諷刺意味的方式，人們已經開始自願地攜帶設備確切地實現的設備）。您可能不會知道誰收集數據以及他們正在做的事情。當智能灰塵落入錯誤的手時，您的想象力可以瘋狂地競爭。
控製。一旦在一個區域上部署了數十億次智能灰塵設備，如果需要，難以檢索或捕獲它們。如果你沒有意識到他們的存在，他們是多麼小，可以挑戰他們。可以由流氓個人，公司或政府造成傷害的智能塵埃的數量將使當局控製有必要的挑戰。
成本。與任何新技術一樣，實現包括衛星和完整實施所需的其他元件的智能粉塵係統的成本很高。直到成本下降，它將有很多人的技術。
汙染。智能灰塵儀器本質上是單用設備。除非它們完全可以生物降解，否則問題會出現問題，如果它們會汙染所用的區域（土壤，空氣，水）。
健康。一旦智能灰塵顆粒縮小到納米級，其風險概況將與納米顆粒的風險概況一般匹配，並且與吸入或攝取它們相關的潛在健康風險。
法律問題。智能塵埃網絡創建的缺乏安全保護信息不僅創造了隱私問題，而且可以在第三方未經授權（即，黑客）的情況下訪問網絡，其信息可用於非法目的。
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