Представьте мир, где беспроводные устройства размером с кристалл соли. Эти “лилипуты” оснащены автономным питанием и вычислительными мощностями. Кроме того, есть камеры и механизмы для беспроводной передачи данных. Такие микроэлектромеханические системы (MEMS) называются умная пыль. И скоро они могут “распорошиться” по соседству. Разбираемся, что это и где применяют “пылинки”.

Что может умная пыль

MEMS оснащены миниатюрными датчиками, которые могут уловить все — от колебаний света до вибрации температур. Из-за миниатюрности устройства могут оставаться подвешенными в пространстве, как частички пыли. Они могут:

• собирать огромные массивы данных, в том числе ускорение, напряжение, давление, влажность, звук и другое;
• обрабатывать все это с помощью встроенного компьютера;
• хранить data в памяти;
• передавать информацию по беспроводной связи в облако, базу или другим “пылинкам”.

3D-печать в микромасштабе

Печатать компонентов пыли на коммерчески доступном 3D-принтере сделает технологию доступной. Ранее мы подробно рассмотрели и применение технологии в разных сферах жизни человека.

Оптические линзы миниатюрных датчиков позволят получить изображения сверхвысокого качества. Сейчас мы даже не можем представить его.

Практическое применение умной пыли

Потенциал умной пыли в сборе информации об окружающей среде с невероятной детализацией повлияет на множество вещей. Это как умноженная на миллиарды технология Интернета вещей (IoT). Вот лишь несколько примеров практического применения умной пыли.

• Тщательное наблюдение за с/х культурами, чтобы определить потребность в поливе, удобрении и борьбе с насекомыми.
• Мониторинг оборудования, чтобы вовремя его обслуживать.
• Определение недостатков и коррозии еще до сбоя системы.
• Наблюдение за людьми и продуктами в целях безопасности.
• Измерение всего, что можно измерить. И практически везде.
• Контроль доставки продуктов от производителя до магазина, включая транспортировку любым способом.
• Применение в медицине: диагностика без хирургического вмешательства. А еще — контроль устройств, которые помогают людям с ограниченными физическими возможностями взаимодействовать с инструментами, что помогают им жить самостоятельно.
• Исследователи Калифорнийского университета в Беркли опубликовали статью о потенциале умной пыли. Если ее имплантировать так, чтобы она “припорошила” мозг, то можно получить обратную связь о его функциональности.

Чем опасна умная пыль

Все еще остаются проблемы, которые тормозят массовое применение умной пыли. Вот несколько из них.

Конфиденциальность

Эксперты обеспокоены проблемами конфиденциальности MEMS. Смарт устройства могут записать все, на что их запрограммировали. Из-за миниатюрного размера их сложно обнаружить. И тут можно включить фантазию на тему: что если умная пыль попадет в чужие руки…

Контроль

Миллиарды умных пылинок легко разлетаются над выбранной областью. А собрать их воедино при необходимости — задание не из легких.

Учитывая размер, обнаружить пылинки сложно. А все частицы из “распорошенных” — и подавно. К тому же, даже небольшое количество “невыявленных элементов” продолжит “сливать” информацию.

Стоимость

Это новая технология. Поэтому затраты на ее внедрение очень высоки. Пока стоимость не снизится, умная пыль будет недоступна для многих.

Умная пыль уничтожить мир?

Технология MEMS может быть разрушительной для экономики и мира в целом. Так считают те, кто с 1992 года занимался ее разработкой. Эту же мысль поддерживают крупные компании, которые инвестировали в исследования. Среди них — General Electric, Cargill, IBM, Cisco Systems.

Поэтому важно убрать все “опасные” моменты, чем “распорошить” повсеместно умную пыль.

Американские учёные сделали важный шаг к созданию «сообразительной» пыли, которая, в свою очередь, является ещё одним шагом к созданию микророботов. Да-да, шаг к шагу. Ума у пылинок пока немного, но вполне достаточно, чтобы играть роль детекторов. Познакомимся со «Smart Dust» поближе.

«Умные» микроскопические частички сфабриковала группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора (Michael Sailor) из университета Калифорнии в Сан-Диего (University of California, San Diego — UCSD).

«Эти пылинки — ключ к разработке роботов размером с песчинку. В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах, вроде вен или артерий, к определённым целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию о них во внешний мир, — заявил Сэйлор, отчего-то не стремящийся называть свою работу нанотехнологиями.

— Такие устройства могли бы использоваться, чтобы контролировать чистоту питьевой или морской воды, обнаруживать опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже находить и уничтожать повреждённые клетки в организме человека».

Профессор Сэйлор родился в 1961 году в Калифорнии.

Создание «умной» пыли – это комбинация электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале берётся кремниевый чип, из которого гравировкой химикатами получается пористая фотонная структура. Затем эта структура модифицируется, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало – красное с одной, зелёное с другой. Наподобие светофора.

«Сообразительные» частички облепили каплю масла. Всё понятно — это масло (фото UCSD).

Стороны пористой зеркальной поверхности учёные наделили практически противоположными свойствами. Одна — гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая — гидрофил, привлекательная для воды. Вот такой получился кремниевый чип.

После того, как зеркальный чип разрушается ультразвуком, от него остаются микроскопические частички диаметром с человеческий волос. И каждая часть теперь — крошечный датчик. Семейство самоорганизующихся сенсоров.

Схема получения пыли из кремниевого чипа (иллюстрация UCSD).

При появлении воды пылинки начинают себя вести подобно избушке на курьих ножках, «гидрофилической» красной стороной поворачиваясь в воде, а зелёной «гидрофобической» к воздуху. Когда же в «игру» вступает маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобической» стороной.

«Smart Dust» в пузырьке (фото АР).

Ну, а поскольку стороны разноцветные, по окраске можно определить, что творится в этой «пыльной» среде. По словам Сэйлора, частицы могут быть запрограммированы на миллионы всевозможных реакций, что даёт возможность обнаружить присутствие тысяч химикалий одновременно.

Длины волн света или цвета, отражённого от поверхностей пылинок после того, как поры отреагируют на химического или биологического агента — это своего рода штрих-код.

В то время как каждая частичка слишком мала, чтобы по её цвету определить изменения, коллектив из сотен или тысяч пылинок уже достаточно заметен для лазера с 20 метров.

Структура пылинок при самом ближайшем рассмотрении (иллюстрация UCSD).

В UCSD поставили себе цель разглядеть изменения с расстояния в километр.

"Мыслящий тростник" — известное словосочетание, которое, характеризуя совокупный умственный потенциал человечества, сформулировал знаменитый французский философ, естествоиспытатель и писатель Блез Паскаль. Сегодня, похоже, для коллективного искусственного интеллекта американскими исследователями придумано новое схожее определение — "умная пыль"!

Заметим, что само понятие "умная пыль" — smartdust введено в научный обиход американским ученым Кристофером Пистером из Калифорнийского университета еще в 2001 году. Впрочем, еще до этого, а именно в 1992 году, в США под эгидой ДАРПА было создано бюро "Microsystems технологическое бюро" (МТО) целью которого являлось создание компактных микроэлектронных и фотонных устройств, таких как, например, микропроцессоры, а также различного рода микроэлектромеханических систем. Работы велись очень активно, в результате чего в Национальной лаборатории Сандиа в тех же 90-х годах была создана модель робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle), объемом всего лишь около одного кубического дюйма.

Дальше, как говорится — больше и уже в 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре раза! Причем, несмотря на свои размеры "машинка" имеет процессор с памятью 8 Кбайт, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор. В дальнейшем планировалось оборудовать этого робота беспроводной связью, чтобы несколько таких микророботов могли бы объединяться для решения какой-нибудь общей задачи.

Ну, а нужна она, например, может быть для того, чтобы (как это предполагают американские военные) в виде облака окутать, скажем, танк, затем проникнуть через щели и неплотности внутрь машины, ну, а потом по команде взорваться! Добавив такие микродатчики в краску, которой окрашивают самолеты, мы получим возможность получать сведения о состоянии его поверхностей. А если они будут в краске внутри помещений, то они смогут сигнализировать о пожаре, задымлении и даже превышении объемов содержания углекислоты. Конечно, подобная краска будет существенно дороже обычной, так что ее использование в жилых помещениях дело не слишком-то и близкого будущего, но вот на атомных подводных лодках и электростанциях ее вполне можно применять буквально уже завтра — дело лишь за "малым" — создать такие микроустройства и обеспечить им питание. Кстати, образец, размером в один кубический миллиметр, снабженный сенсором температуры, движения и радиопередатчиком сигналов, уже существует. А что такое один миллиметр?!

Очень заманчиво, считает Джошуа Смит, руководитель Лаборатории сенсорных систем при Вашингтонском университете в Сиэтле, покрыть все вокруг такими датчиками и дать им команду отслеживать интересующие нас явления и объекты. Но тут встает проблема их энергетического обеспечения. Впрочем, над этой проблемой сегодня тоже работают, причем сразу в нескольких направлениях. Это могут быть и крошечные солнечные батареи, расположенные прямо на "спине" у этих крошечных роботов, и также термоэлектрогенераторы, преобразующие тепло в электрический ток.

Работы над "умной пылью" идут не только за границей, но и в России. В частности, ученые из Таганрогского государственного радиотехнического института создали математическую модель, позволяющую в принципе понять и как управлять облаками таких микророботов, и как они должны все вместе действовать, чтобы выполнить поставленную задачу. Первоначально они образуют единую массу, которая и получает задание от управляющего компьютера. Каждый робот, определяя свои координаты и координаты цели, прежде всего, узнает, сколько роботов находятся к ней ближе всего и достаточно ли их для выполнения полученной задачи. Если "да", то он ищет другую цель, если "нет" — то устремляется к объекту. Таким образом, из роботов формируются группы, каждая из которых будет выполнять свою задачу.

Красивое решение, что и говорить, вот только оно, как это очень часто бывает в науке, порождает уже совершенно другую проблему. Дело в том, что связь этих микропылинок с центром управления и друг с другом потребует огромных энергозатрат. Впрочем, выход вроде бы тоже уже найден, причем доктором Джоном Байкером из Центра наноэлектроники в Глазго. По его мнению, информацию от одного робота к другому можно передавать по цепочке, что существенно сократит расходы энергии.

Микроробот - это механизм, размер которого исчисляется миллиметрами, а то и микронами. Одиночный микроробот, как и один муравей, практически ни на что не способен. Однако множество их, собранных в одном месте, становится похожим на семью из миллиардов тропических муравьев, уничтожающих все живое на своем пути. Объединенная сила множества слабых существ может воплотить в жизнь концепцию "умной пыли", которая, строго говоря, позаимствована из повести Станислава Лема "Непобедимый" и еще недавно рассматривалась как дело далекого будущего (см. "Наука и жизнь" № 11, 1998 г.). Один из возможных способов ее применения, который придумали американские военные, - поражение танков противника: облако микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается. Впрочем, у роботов могут быть и мирные задачи, например исследование околоземного пространства с помощью стаек микроспутников.

При этом возникает сложная проблема: как одновременно управлять множеством механизмов. "Представим себе, что десятками тысяч роботов нужно управлять из одного центра, - говорит доктор технических наук Игорь Каляев из НИИ многопроцессорных вычислительных систем при Таганрогском государственном радиотехническом институте. - Там должен стоять мощный сверхкомпьютер, способный отследить положение каждого робота и дать ему инструкцию. Это требует огромных затрат времени, а кроме того, весьма небезопасно: управляющий центр может выйти из строя. Значительно проще дать возможность каждому роботу принимать самостоятельные решения и координировать свои действия с действиями соседей".

Исследователи из Таганрога построили математическую модель, позволяющую понять, как следует управлять облаками микророботов с тем, чтобы они одновременно двигались к разным целям. Эта работа была доложена на Международном симпозиуме по микророботам, микромашинам и микросистемам, который проходил в Москве, в Институте проблем механики РАН 24-25 апреля этого года.

Алгоритм действия, придуманный отечественными исследователями, таков. Сначала роботы образуют единое облако. Ему сообщают координаты целей. Каждый робот, зная свои координаты и координаты целей, выбирает ближайшую цель и принимает решение, стоит ли к ней двигаться. Для этого он узнает, сколько роботов уже направилось к этой цели. Если их число вполне достаточно, он начинает искать другую цель или остается в резерве. Если - нет, принимает решение об атаке, о чем и оповещает соседей. Так облако весьма быстро распадается на фрагменты, кластеры, которые перемещаются к своим целям.

"Процесс кластеризации необходимо периодически возобновлять, - уточняет Игорь Каляев. - Это нужно, чтобы учесть изменения оперативной обстановки. Например, если какой-то робот выбыл из игры, облако должно об этом узнать и быстро заменить его резервным. Точно так же нужно учитывать изменения координат цели - она может слишком сильно удалиться от каких-то роботов кластера. Значит, нужно будет к нему подтянуть дополнительные силы".

Компьютерное моделирование показало, что предложенный подход очень эффективен, а алгоритм принятия решений микророботами столь прост, что его легко воплотить в маленьких электронных мозгах этих миниатюрных созданий. Кроме того, вся процедура оказывается чрезвычайно гибкой, способной быстро учитывать и потери микророботов, и изменения в поведении целей.

Сегодня, в начале XXI века, интервал времени между созданием теории и ее воплощением в жизнь резко сократился. И возможно, что уже через несколько лет мы узнаем о первых облаках "умной пыли", которые, следует надеяться, станут выполнять только мирные задачи.