Cos'è la polvere intelligente e come viene utilizzata?

Immagina una nuvola di sensori, ciascuno delle dimensioni di un granello di sabbia o anche più piccolo, sospinta in alto dai venti dell'uragano e che trasmette i dati sulla tempesta alle stazioni meteorologiche sottostanti. Immagina una rete di sensori invisibile incorporata nelle strade di una città intelligente per monitorare il traffico, i danni al manto stradale e identificare i parcheggi disponibili, il tutto in tempo reale. Oppure miliardi di nanosensori distribuiti nelle foreste e in altre aree a rischio di incendio per rilevare un incendio all’inizio. Oppure immaginate una polvere intelligente programmabile che attivi un segnale di allarme quando vengono rilevate microfessure invisibili in una pala di turbina.

La polvere intelligente si riferisce a reti wireless di piattaforme di calcolo e rilevamento autonome su scala submillimetrica non più grandi di un granello di sabbia. La polvere intelligente rileva e registra dati sul suo ambiente come luce, temperatura, suono, presenza di tossine o vibrazioni e trasmette tali dati in modalità wireless a sistemi informatici più grandi.

Smart Dust è una visione del futuro interconnesso in cui reti intelligenti di trilioni di minuscoli sensori sentono, assaggiano, annusano, vedono e ascoltano continuamente ciò che accade nell’ambiente circostante, comunicano tra loro e si scambiano informazioni. Le reti Smart Dust sono i dispositivi Internet delle cose (IoT) per eccellenza.

La polvere intelligente è rivoluzionaria perché i sensori sono abbastanza piccoli da poter essere posizionati ovunque, anche in aree strette e difficili. Un altro enorme vantaggio è che questi dispositivi funzionano senza alcun intervento umano poiché sono preprogrammati e, nonostante le loro piccole dimensioni, sono dotati di alimentazione propria.

Si prevede che questa tecnologia non solo monitorerà i controlli degli edifici, le condutture, le attrezzature di fabbrica e i processi di produzione dei farmaci, ma porterà anche a calcoli intelligenti artificiali autonomi e onnipresenti vicino all'utente finale, come l'autenticazione, le procedure mediche e il monitoraggio, il rilevamento e il monitoraggio dell'assistenza sanitaria. monitoraggio, monitoraggio industriale e della catena di fornitura e applicazioni per la difesa.

Sebbene i dispositivi intelligenti per la polvere non siano esattamente nel territorio delle dimensioni della polvere, i ricercatori sperano di ridurli alle dimensioni di un granello di polvere tramite la nanotecnologia .

Per essere economicamente fattibili, tali dispositivi monouso devono essere economici (stiamo parlando di pochi centesimi o addirittura di frazioni di centesimo), addirittura più economici delle etichette di identificazione a radiofrequenza attualmente utilizzate per tracciare l’inventario dei magazzini, ad esempio.

Come funziona la polvere intelligente e cosa fa?

Le reti di polvere intelligente contengono nodi (chiamati "mote") che combinano funzionalità di rilevamento, calcolo, comunicazione wireless e alimentazione autonoma in un piccolo pacchetto con un volume di pochi millimetri cubi o anche meno.

La polvere intelligente si basa su sistemi microelettromeccanici, o MEMS . I MEMS sono costituiti da qualsiasi combinazione di componenti meccanici (leve, molle, membrane, ecc.) ed elettrici (resistori, condensatori, induttori, ecc.) che funzionano come sensori o attuatori. In futuro, con l’avanzare delle tecnologie di fabbricazione, le loro dimensioni si ridurranno ulteriormente fino a diventare NEMS – sistemi nanoelettromeccanici.

I granelli sono costruiti utilizzando tecniche convenzionali di microfabbricazione del silicio e possono rimanere sospesi in un ambiente simile alla polvere (da cui il nome).

Un acaro, di dimensioni inferiori a 1 mm, che si avvicina a una catena dentata su microscala. (Immagine: Laboratori nazionali Sandia)

Ogni granello può essere lasciato incustodito per raccogliere dati ambientali come luce, temperatura, pressione, vibrazioni, presenza di tossine, ecc. e trasmettere questi dati in modalità wireless a sistemi informatici remoti più grandi o, a seconda della potenza di calcolo del granello, elaborarli direttamente nel punto di raccolta dei dati.

Ad esempio, in un ambiente industriale, i sensori intelligenti della polvere trasmettono i segnali a un computer di comando, che poi compila i dati per fornire un feedback ai gestori dell’impianto. Oppure i risultati potrebbero innescare una risposta automatica, come abbassare la temperatura di un edificio o ridurre il flusso d’acqua.

Un altro esempio è il programma SHIELD della DARPA che prevede di utilizzare chip su microscala per tracciare e autenticare la catena di fornitura di chip per computer per applicazioni di difesa. L'obiettivo è eliminare i circuiti integrati contraffatti dalla catena di fornitura dell'elettronica rendendo la contraffazione troppo complessa e dispendiosa in termini di tempo per essere economicamente vantaggiosa. SHIELD mira a combinare crittografia a livello NSA, sensori, alimentazione a campo vicino e comunicazioni in un minuscolo chip in grado di essere inserito nella confezione di un circuito integrato.

Origine del concetto di polvere intelligente

"Smart Dust" è stato concepito per la prima volta negli anni '90 dal Dr. Kris Pister mentre era professore di ingegneria elettrica presso l'Università della California, Berkeley, come un modo semplice per implementare sensori wireless intelligenti.

All’epoca, Pister immaginava un mondo in cui sensori onnipresenti potessero misurare tutto ciò che poteva essere misurato. Immediatamente ha pensato ad applicazioni ambientali come il monitoraggio meteorologico (leggi il suo concept paper del 2000: Emerging Challenges: Mobile Networking for “Smart Dust” ).

Ma non sorprende che siano stati i militari a dare impulso e finanziamento allo sviluppo della polvere intelligente. Nel 1992, la DARPA ha finanziato la ricerca di Pister nel progetto Smart Dust (puoi leggere la proposta originale qui in formato PDF ).

Schema di una rete di sensori sul campo di battaglia per la polvere intelligente come illustrato nella domanda di sovvenzione per il progetto Smart Dust della DARPA: migliaia di nodi di sensori che coprono chilometri quadrati vengono consegnati da un elicottero autonomo. Tracciano il movimento dei veicoli per ore/giorni e riportano le informazioni sovrapposte al video in diretta quando interrogate dal ricevitore portatile o dal ricevitore trasportato dall'elicottero.

Componenti di un granello di polvere intelligente

Fondamentalmente, ogni mote è costituito da quattro classi di dispositivi: sensori, circuiti, comunicazione e alimentazione. In un nodo sensore wireless concettualmente assomiglierebbe a questo schema:

Esempio di progettazione del sistema di un nodo sensore wireless. Consiste in un pacchetto cubico funzionale stampato in 3D che contiene diversi sensori stampati a getto d’inchiostro e l’antenna. Anche il circuito stampato è stato stampato in 3D e contiene la microelettronica racchiusa nella confezione. (Fonte: DOI 10.1002/admt.201700051)

L'intero pacchetto contiene uno o più sensori MEMS o NEMS per eseguire lo scopo principale di rilevamento del mote di rilevare e misurare cose come vibrazioni, temperatura, pressione, suono, luce, campo magnetico, ecc. Circuiti (microcontrollore) per interfacciarsi con i sensori e il processo e memorizzare i dati. La comunicazione è composta idealmente da un trasmettitore e da un'antenna 3D che garantisce un'irradiazione uniforme in tutte le direzioni, consentendo così una comunicazione insensibile all'orientamento. L'alimentazione per l'intero mote, a seconda dell'area operativa, potrebbe essere un array di celle solari o una qualche forma di batteria a film sottile o supercondensatore.

L'intero pacchetto è simile a questo:

Ulteriori informazioni su questo dispositivo con sensore wireless completamente integrato e stampato in 3D .

Sebbene le dimensioni del cubo nell'esempio sopra siano 21 mm su ciascun lato, illustra il concetto di base e l'architettura dei componenti di un granello di polvere intelligente. L’inevitabile miniaturizzazione porterà alla fine a una scala inferiore al micron per questi dispositivi.

Ecco altri due esempi di come la miniaturizzazione porta a componenti incredibilmente piccoli.

Sistemi di lenti in microscala stampate in 3D

Immagine al microscopio elettronico a scansione della disposizione delle lenti esagonali. Ciascun sistema di lenti doppiette ha un diametro di 120 µm e un'altezza di 128 µm. Barra della scala, 100 µm. (Fonte: DOI 10.1038/NPHOTON.2016.121)

I ricercatori hanno dimostrato obiettivi multilente perfettamente funzionanti con dimensioni di circa 100 micron, all’incirca le dimensioni di un granello di sale, che potrebbero portare a granelli di polvere intelligenti con visione autonoma. Gli obiettivi mostrano prestazioni senza precedenti e un'elevata qualità ottica con risoluzioni fino a 500 coppie di linee per millimetro per applicazioni di imaging.

Alimentatore formato polvere

Dispositivi di accumulo di energia sempre più piccoli nella gamma submillimetrica per componenti microelettronici ancora più piccoli rappresentano una grande sfida tecnica. Tuttavia, i ricercatori riescono a ridurne continuamente le dimensioni, come mostra questo esempio di nanosupercondensatore : ha le dimensioni di un granello di polvere ma racchiude la tensione di una batteria AAA:

Ciascuno dei 90 supercondensatori tubolari sul polpastrello contiene un volume di appena 1 nanolitro (0,001 mm 3 ) ma fornisce una tensione di alimentazione fino a 1,6 V.

Polvere intelligente neurale

Certo, questa applicazione è un po' più avanzata, ma i ricercatori hanno lavorato attivamente. E, ancora una volta, l’esercito sta guidando questo processo attraverso il programma di prescrizioni elettriche (ElectRx) della DARPA .

I ricercatori hanno sviluppato un dispositivo wireless sicuro, su scala millimetrica, abbastanza piccolo da poter essere impiantato nei singoli nervi, in grado di rilevare l’attività elettrica dei nervi e dei muscoli nelle profondità del corpo e che utilizza gli ultrasuoni per l’accoppiamento di potenza e la comunicazione. Chiamano questi dispositivi polvere neurale .

Ogni sensore di polvere neurale è costituito da sole tre parti principali: una coppia di elettrodi per misurare i segnali nervosi, un transistor personalizzato per amplificare il segnale e un cristallo piezoelettrico che ha il duplice scopo di convertire la potenza meccanica delle onde ultrasoniche generate esternamente in energia elettrica. e comunicare l'attività nervosa registrata.

E anche se non sono ancora collegati in rete, i ricercatori hanno già dimostrato la fattibilità dell'inserimento di chip di computer nelle singole cellule . Ma potete immaginare dove potrebbe arrivare... (cari teorici della cospirazione: PER FAVORE, non inviateci i vostri commenti!).

Stato attuale e sfide

Le principali sfide con cui i ricercatori si sono confrontati sono la mancanza di energia sufficiente con un ingombro ridotto e le difficoltà di integrare i sistemi di alimentazione in questi dispositivi su larga scala. Poiché la densità di stoccaggio delle tecnologie delle batterie non ha seguito le tendenze di scalabilità della legge di Moore, i sistemi IoT devono fare affidamento sulla conversione di potenza da fonti esterne come onde termiche, vibrazionali, luminose o radio.

Tuttavia, con l’evoluzione della nanoelettronica e delle tecnologie di packaging, ora potrebbe essere il momento giusto per iniziare a ripensare le soluzioni a questi problemi e avanzare verso piccoli sistemi informatici più potenti di quanto originariamente proposto.

La capacità di integrare vari chiplet nanoelettronici – come processore, memoria e fotovoltaico – in un processo di confezionamento a livello di wafer su scala industriale, creando polvere intelligente alimentata a energia solare , sblocca il potenziale della produzione su larga scala di questi sistemi integrati compatti con alte prestazioni e costi estremamente bassi.

Applicazioni della polvere intelligente

La vasta gamma di applicazioni Smart Dust rende impossibile fornire descrizioni dettagliate in un solo articolo. Quindi elenchiamo solo alcune aree principali di seguito:

Agricoltura : monitoraggio costante delle esigenze nutrizionali, dell'irrigazione, della fertilizzazione e del controllo dei parassiti di una coltura. Queste preziose informazioni possono aiutare ad aumentare la quantità e la qualità del raccolto. Può anche registrare le condizioni del terreno come pH, fertilità, infestazioni microbiche, ovvero informazioni vitali per la crescita della pianta.

Industrie : screening continuo delle apparecchiature essenziali, sollecitando azioni relative alla loro manutenzione. Valutare le condizioni esatte delle macchine, la loro debolezza e la corrosione può prevenire il guasto completo del sistema.

Ambiente . Monitoraggio ambientale chimico e biologico per problematiche di salute e sicurezza (acqua, aria, suolo). Ad esempio, la polvere intelligente plasmonica potrebbe sondare le reazioni chimiche locali, come mostrato in questa animazione:

Animazione della dissociazione e dell'assorbimento dell'idrogeno su una superficie di palladio. La polvere intelligente (una nanoparticella d’oro isolata da un guscio di silice) segnala i cambiamenti nell’ambiente chimico locale attraverso spostamenti spettrali nel suo spettro di diffusione. (Fonte: Sven Hein, 4° Istituto di fisica, Università di Stoccarda)

Infrastrutture urbane : il monitoraggio di edifici, strade, ponti, tunnel, condotte idriche e fognarie, reti elettriche e di telecomunicazioni entrerà a far parte di un concetto complessivo di smart city . Ad esempio, la polvere intelligente potrebbe già essere incorporata nel calcestruzzo durante la costruzione.

Gestione dell'inventario : il monitoraggio dei prodotti dalle fabbriche di produzione agli scaffali di vendita al dettaglio tramite strutture di trasporto (spedire le navi ai camion) garantirebbe uno stretto controllo dell'inventario.

Diagnostica medica : vedere la polvere intelligente neurale sopra

Settore dei trasporti : la polvere intelligente trasporta merci deperibili poiché questi materiali richiedono un monitoraggio costante. Durante il trasporto di merci deperibili, alcuni parametri come temperatura, umidità e aerazione devono essere monitorati continuamente. Allo stesso modo, la polvere intelligente aiuta a monitorare la salute degli animali e a controllare le condizioni necessarie come temperatura, aria e umidità per un trasporto sicuro.

Applicazioni militari : aiuta nell'accesso alle attività in aree remote o inaccessibili. Può anche determinare la presenza di gas tossici o sostanze nocive e aiutare a intraprendere le azioni necessarie. Reti di sensori sul campo di battaglia.

Esplorazione dello spazio : Meteo, monitoraggio sismologico su pianeti e lune del sistema solare. Gli scienziati stanno anche esplorando un tipo completamente nuovo di telescopio spaziale con un'apertura fatta di sciami di particelle rilasciate da un contenitore e controllate da un laser. Il programma Innovative Advanced Concepts della NASA sta finanziando la seconda fase del progetto “arcobaleno orbitante” che tenta di combinare l’ottica spaziale e la smartdust, o la tecnologia dei sistemi robotici autonomi.

Rischi e preoccupazioni legati alla polvere intelligente

L’adozione su larga scala della polvere intelligente comporterebbe una serie di rischi:

Privacy . Molti di coloro che hanno riserve sulle implicazioni nel mondo reale della polvere intelligente sono preoccupati per i problemi di privacy. I dispositivi intelligenti per la polvere diventeranno così piccoli da essere invisibili a occhio nudo e, quindi, estremamente difficili da rilevare. Possono essere programmati per registrare qualunque cosa siano in grado di fare i loro sensori (ironicamente, le persone hanno iniziato a portare volontariamente dispositivi che farebbero esattamente questo). Probabilmente non saprai chi sta raccogliendo i dati e cosa ne fa. La tua immaginazione può scatenarsi per quanto riguarda le implicazioni negative sulla privacy quando la polvere intelligente cade nelle mani sbagliate

Controllo . Una volta che miliardi di dispositivi intelligenti per la polvere vengono distribuiti su un’area, sarebbe difficile recuperarli o catturarli, se necessario. Considerando quanto sono piccoli, sarebbe difficile rilevarli se non fossi informato della loro presenza. Il volume di polvere intelligente che potrebbe essere utilizzata da un individuo, un’azienda o un governo disonesti per arrecare danni renderebbe difficile il controllo da parte delle autorità, se necessario.

Costo . Come per qualsiasi nuova tecnologia, il costo per implementare un sistema di polvere intelligente che includa i satelliti e altri elementi necessari per la piena implementazione è elevato. Fino a quando i costi non scenderanno, la tecnologia sarà fuori portata per molti.

Inquinamento . I granelli di polvere intelligenti sono essenzialmente dispositivi monouso. A meno che non siano completamente biodegradabili, sorge il problema se inquineranno le aree in cui vengono utilizzati (suolo, aria, acqua).

Salute . Non appena le particelle di polvere intelligente si ridurranno su scala nanometrica, il loro profilo di rischio corrisponderà a quello delle nanoparticelle in generale e al potenziale rischio per la salute associato alla loro inalazione o ingestione.

Questioni legali . La mancanza di sicurezza nella protezione delle informazioni create dalle reti Smart Dust sta creando non solo problemi di privacy, ma è possibile che terze parti accedano alla rete senza autorizzazione (cioè vengano hackerate) e le sue informazioni possano essere utilizzate per scopi illegali.

Consulta la nostra sezione SmartWorlder per saperne di più sulle tecnologie intelligenti .

What is smart dust and how is it used? (nanowerk.com)