什麼是智能灰塵，如何使用？
想象一下傳感器雲，每個傳感器的大小與沙子的大小或越來越小的颶風吹來，並將風暴上的數據傳遞到下麵的氣象站。想象一個無形的傳感器網絡嵌入到一個聰明的城市監視交通，道路表麵損壞並確定可用停車位的道路 - 全部實時。或數十億納米傳感器分布在森林和其他有火災危害的地區，以發現一開始就檢測到火災。或設想可編程的智能灰塵，當在渦輪刀片中檢測到無形的微裂紋時會觸發警報信號。
智能灰塵是指亞毫米級自動計算和感應平台的無線網絡不超過一粒沙子。智能灰塵感知和記錄有關其環境的數據，例如光，溫度，聲音，毒素或振動的存在，以及將數據無線數據傳輸到較大的計算機係統。
智能灰塵是對網絡未來的願景，在那裏，數萬億個微型傳感器的智能網絡不斷感受，品味，氣味，看和聽到周圍環境中發生的事情，相互交流並交換信息。智能灰塵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，即使在狹窄而困難的區域也可以放置在任何地方。另一個巨大的優勢是，這些設備在沒有任何人工幹預的情況下可以使用，因為它們是預先編程的，盡管它們的尺寸很小，但仍有自己的電源。
預計該技術不僅可以監視建築物的控製，管道，工廠設備和毒品製造過程，而且還將導致最終用戶附近無處不在的自動人工智能計算跟蹤，工業和供應鏈監測以及國防應用。
盡管智能灰塵設備不在塵土大小的領域中，但研究人員希望通過納米技術。
為了在經濟上可行，這種單使用設備必須便宜（我們在談論便士甚至是一分錢的分數），甚至比目前用於跟蹤倉庫庫存的射頻標識標簽更便宜。
智能灰塵如何工作，它做什麼？
智能灰塵網絡包含節點（稱為“ MOTE”），這些節點將傳感，計算，無線通信功能和自動源供應結合在一個小包裝中，這些軟件包的數量很少，幾立方毫米甚至更少。
智能塵是基於微電動係統或MEMS。MEMS由機械（杠杆，彈簧，膜等）和電氣（電阻，電容器，電感器等）組成的任何組合組成，以作為傳感器或執行器的作用。將來，隨著製造技術的發展，這將進一步縮小到NEMS - 納米機電係統。
MOT是使用常規矽微加工技術構建的，並且可以在類似於灰塵（因此名稱）的環境中懸浮。
蟎蟲的尺寸小於1毫米，接近微觀齒輪鏈。（圖片：桑迪亞國家實驗室）
可以無人看管每個微粒以收集環境數據，例如光，溫度，壓力，振動，毒素等的存在，並將此數據無線傳輸到較大的遠程計算機係統 - 或取決於Mote的計算能力，流程，過程它直接在數據收集點。
例如，在工業環境中，智能塵埃傳感器繼電器信號回到命令計算機，然後編譯數據以向工廠管理人員提供反饋。否則結果可能會觸發自動響應，例如降低建築物的溫度或降低水流。
另一個例子是DARPA的盾牌計劃該計劃使用微觀芯片跟蹤和身份驗證用於防禦應用的計算機芯片供應鏈。目的是通過使假冒過於複雜和耗時以至於具有成本效益來消除電子供應鏈中的偽造綜合電路。Shield旨在將NSA級加密，傳感器，近場功率和通信結合到能夠插入集成電路包裝中的微小芯片中。
智能灰塵概念的起源
“智能塵埃”是克裏斯·佩斯特（Kris Pister）博士在1990年代首次構想的，而加州大學伯克利分校的電氣工程教授則是部署智能無線傳感器的一種簡單方法。
當時，Pister想象一個世界，無處不在的傳感器可以測量可以測量的所有內容。他立即考慮了諸如天氣跟蹤之類的環境應用（閱讀2000年的概念文件：新興挑戰：“智能塵”的移動網絡）。
但是，毫不奇怪的是，為了發展智能灰塵，軍方賦予了動力和融資。1992年，DARPA資助了Pister在智能塵埃項目中的研究（您可以閱讀原始建議在這裏作為PDF）。
DARPA智能塵埃項目中描述的智能塵埃戰場傳感器網絡的示意圖：自動駕駛直升機提供了數千個覆蓋平方公裏的傳感器節點。他們跟蹤車輛的運動時間/天數小時，並在通過手持式接收器或直升機播放的接收器審問時報告在實時視頻中疊加的信息。
智能塵埃的組件
基本上，每個MOTE都由四個設備類別組成：傳感器，電路，通信和電源。在無線傳感器節點中，這在概念上看起來像這樣的示意圖：
無線傳感器節點係統設計的示例。它由一個3D打印的功能立方體軟件包組成，該套件包含幾個噴墨打印傳感器和天線。電路板也已被3D打印，並包含包裝中包含的微電子。（來源：doi 10.1002/admt.201700051）
整個軟件包包含一個或多個MEMS或NEMS傳感器執行MOTE的主要感應目的，以檢測和測量諸如振動，溫度，壓力，聲音，光，磁場等的事物。電路（MicroController）與傳感器以及處理和存儲數據接口。溝通理想情況下，包括發射器和3D天線，可確保在各個方向上相等的輻射，從而實現方向不敏感的通信。電源對於整個MOTE，取決於操作區域，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。
整個軟件包看起來像這樣：
閱讀更多有關此的信息3D打印，完全集成的無線傳感器設備。
盡管上麵的示例中的立方體尺寸為21毫米，但它說明了智能塵埃的基本概念和組件體係結構。不可避免的小型化最終將導致這些設備的亞微米量表。
這是小型化如何導致令人難以置信的微小組成部分的另外兩個例子。
3D印刷微觀鏡頭係統
六角形鏡頭布置的掃描電子顯微鏡圖像。每個雙線透鏡係統的直徑為120 µm，高度為128 µm。比例尺，100 µm。（來源：doi 10.1038/nphoton.2016.121）
研究人員已經證明了完全有效的多鏡頭目標，其尺寸約為100微米，大約是一粒鹽的大小，這可能會導致具有自主視力的智能粉塵。這些鏡頭表現出前所未有的性能和高質量，用於成像應用的每毫米最多500行對的分辨率。
塵埃供應
對於較小的微電子組件，亞略算範圍內的較小的儲能設備是一個主要的技術挑戰。然而，研究人員設法不斷減小其規模，這是一個例子納米菜單表演 - 這是塵埃斑點的大小但是包裝AAA電池的電壓：
指尖上的90個管狀超級電容器中的每一個僅容納1納米尺（0.001 mm3），但最多可提供1.6 V電源電壓。
神經智能灰塵
誠然，此應用程序有點遠，但研究人員積極進行。而且，軍方再次通過DARPA率領這一點電氣處方（Extrx）計劃。
研究人員已經開發了一種安全的，毫米級的無線設備，足以將其植入個體神經，能夠檢測到體內深處的神經和肌肉的電活動，並且使用超聲來進行功率耦合和通信。他們打電話給這些設備神經灰塵。
每個神經灰塵傳感器僅由三個主要部分組成：一對測量神經信號的電極，一個定製晶體管來放大信號，以及一個壓電晶體，其雙重目的是將外部產生的超聲波的機械力轉換為電力的雙重目的並傳達記錄的神經活動。
雖然尚未網絡，但研究人員已經證明了將計算機芯片插入單個單元格。但是您可以想象這可以去哪裏……（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
研究人員一直麵臨的主要挑戰是，缺乏足夠的電源，以及將電源係統集成到這些高度擴展設備中的困難。由於電池技術的存儲密度尚未遵循Moore的法律規模趨勢，因此物聯網係統需要依靠外部來源的電源轉換，例如熱，振動，光或無線電波。
但是，隨著納米電子學和包裝技術的發展，現在可能是我們開始重新考慮這些問題的解決方案的正確時機，並邁向比最初提出的更強大的小型計算機係統。
將各種納米電子芯片（例如處理器，內存和光伏型）集成到工業規模的晶圓級包裝過程中的能力，創建太陽能智能灰塵，釋放了這些緊湊型集成係統的大規模製造的潛力，具有高性能和超低成本。
智能灰塵的應用
各種各樣的智能灰塵應用程序使得僅在一篇文章中提供詳細的描述。因此，我們隻列出以下一些主要領域：
氫解離並在鈀表麵吸收的動畫。智能灰塵（矽膠均勻的金納米顆粒）報告說，當地化學環境的散射光譜變化發生了變化。（資料來源：斯圖加特大學第四物理研究所Sven Hein）
智能灰塵風險和疑慮
大規模采用智能灰塵會帶來一係列風險：
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隱私。許多對智能塵埃的現實含義保留的人關注的隱私問題。智能灰塵設備將變得如此小，以至於它們對我們的肉眼看不見，因此很難檢測到。可以對它們進行編程以記錄其傳感器的能力（具有諷刺意味的是，人們已開始自願攜帶可以完全實現這一目標的設備）。您可能不知道誰在收集數據以及他們在做什麼。當智能灰塵落入錯誤的手中時，您的想象力可能會對負麵隱私的影響而瘋狂
控製。一旦將數十億個智能灰塵設備部署在一個區域上，就很難在必要時檢索或捕獲它們。鑒於它們的規模很小，如果您沒有意識到它們的存在，那麼檢測到它們將是一項挑戰。流氓個人，公司或政府可能涉及傷害的智能灰塵的數量將使當局在必要時挑戰。
成本。與任何新技術一樣，實施包括衛星和全麵實施所需的其他元素的智能灰塵係統的成本很高。在成本下降之前，對於許多人來說，這將是遙不可及的技術。
汙染。智能灰塵基本上是一次性設備。除非它們完全可生物降解，否則問題是否會汙染使用的區域（土壤，空氣，水）。
健康。一旦智能灰塵顆粒縮小到納米級，它們的風險概況將與一般的納米顆粒相匹配，以及與吸入或攝入相關的潛在健康風險。
法律問題。缺乏由智能灰塵網絡創建的信息的安全性保護信息不僅創造了隱私問題，而且可以在第三方授權（即入侵）的情況下訪問網絡，其信息可用於非法目的。
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