Понятие умной пыли (smartdust) ввел Кристофер Пистер из Калифорнийского университета Беркли в 2001 году.
Не совсем привычным для высоких технологий термином «умная пыль» называются миниатюрные сенсоры, которые обладают возможностями вычислений и беспроводной связи, а также памятью для хранения данных и чувствительными элементами для измерения параметров окружающей среды.
«Умная пыль» прекрасно подходит для организации беспроводных сетей, в которых узлы связываются друг с другом по мере надобности. Такая сеть обладает распределенными вычислительными возможностями, полоса пропускания сети растет с ростом ее размеров. Помимо собственно сенсоров, сенсорные сети включают в себя и некоторое количество «шлюзов». Последние нужны для того, чтобы собирать, обрабатывать и направлять дальше информацию с окружающих их сенсоров. На первом этапе развития концепции «умной пыли», создатели сенсоров усиленно стремились к уменьшению их размеров. Однако, опыт их внедрения показал, что миниатюризация не всегда приветствуется в промышленности. Поэтому первые образцы «умной пыли», созданные корпорацией Intel, представляют собой платы размером 3 х 3 см.
Еще одно, уже реализованное применение новых сенсоров, – контроль за системами водоснабжения. Сенсоры устанавливаются на водопроводных трубах и сигнализируют о дрожании трубы, о влажности окружающей среды специальному шлюзу, расположенному где-то на фонаре или на доме в пределах досягаемости беспроводной связи сенсоров. Энергопитание сенсоров – от батареек, а шлюзов – от сети. В Бостоне такая сеть уже успешно эксплуатируется.
Сейчас создается второе поколение сенсоров «умной пыли». В их основе - 32-битный процессор XScale, а для сжатия информации используется специальный процессор, так же как и для обеспечения безопасности. Размеры новых сенсоров меньше, чем у предыдущего поколения почти в два раза. В новых сенсорах – большая RAM и FLASH-память и они могут работать на основе операционной системы Linux. Кроме этого, они обладают высокоскоростными возможностями ввода информации, например, с видеокамер.
Отдельное направление исследований – вопрос энергопитания. Есть, например, проекты питания сенсоров от солнечных батарей размером 10х10 см. Исследуются возможности преобразования вибрации механизмов в электроэнергию. С помощью сенсоров нового поколения планируется реализовать свою идею «проактивных, или упреждающих вычислений».
До сих пор компьютеры делают только то, что им говорит человек. А вот в будущем, наши ПК будут сами предугадывать наши потребности и самостоятельно действовать в наших интересах. Компьютер будет анализировать текущую обстановку, производить упреждающие вычисления и предлагать нам те или иные варианты возможных дальнейших действий, а в ряде случаев даже будет действовать сам, освобождая нас от необходимости совершения рутинных процедур.
Сенсорные сети, состоящие из множества самостоятельных миниатюрных автономных устройств, обладающих возможностями беспроводной связи, будут способны самоорганизовываться в сети и взаимодействовать друг с другом и с «центром», обладая при этом внушительным запасом надежности.
Умная пыль для войны.
Концепция "умной пыли" позаимствована из повести Станислава Лема "Непобедимый" и еще недавно рассматривалась как дело далекого будущего. В ее основе лежит идея микроробота - механизма, 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.
Один из возможных способов ее применения, который придумали американские военные, - поражение танков противника: облако микророботов, несущих заряд, окутывает бронированную машину и взрывается. Либо физическое уничтожение сил противника с помощью микрозарядов взрывчатки. Будучи сброшенными с самолета (естественно, беспилотного) облако само автоматически ищет цели, разделяется на кластеры необходимого для их поражения размера, облепляет их, проникнув в незащищенные места, синхронно подрывается. Получившийся объемный взрыв сжигает системы управления техникой и опустошает самые защищенные бомбоубежища с максимальной эффективностью, недоступной обычным видам вооружения.
Более мирное применение, к примеру, разведка местности и шпионаж, требует гораздо более сложных программных алгоритмов и возможности использования сложных средств наблюдения и связи. Поэтому, по прогнозам специалистов, оно станет осуществимо с помощью умной пыли не ранее, чем в 2014-2017 гг. Сценарий действий здесь будет следующим. Распыленное в окрестностях важного объекта облако незаметно перемещается в его сторону, попутно выбирая оптимальные места для размещения специализированных субоблачков. Облако видеонаблюдения, каждая пылинка которого представляет собой отдельный пиксель матрицы с интерфейсом связи с соседями, стремится занять лучшую позицию для большего обзора пространства. Жучки (или, возможно, «мошки») устанавливают контроль за звуками. Самая сложная часть, передача информации в штаб разведки, в ближайшее время вряд ли сможет обойтись без засылки агента с устройством, считывающим ее как в современных RFID-системах.
А что в России?
В апреле 2007 года руководитель наноцентра Московского энергетического института Андрей Алексенко сообщил о ведущихся в России разработках нанооружия. По его словам, главное достоинство этого оружия в том, что "против него нет другой защиты кроме нанозащиты". Суть работы над ним российских ученых он не стал уточнять, сославшись на секретность разработок.
России для обеспечения национальной безопасности необходимо заниматься разработкой нанотехнологий двойного назначения. По его мнению, подобные разработки помогут в охране границ, а также защите от техногенных катастроф. Наконец, так называемая «умная пыль» - это полное обследование территории, но это возможно только при развитии современной микро- и наноэлектроники.
В свою очередь Путин, еще будучи президентом, поручал в 2007 году первому вице-премьеру правительства Сергею Иванову контролировать правильность расходования государственных средств, выделяемых на развитие наноиндустрии. "Это то направление деятельности, на которое государство не будет жалеть никаких средств", - заявлял президент, выступая на совещании в научном центре "Курчатовский институт".
Путин тогда еще подчеркнул, что государство "предоставляет большие деньги" на эти цели, и "нужно их вкладывать так, чтобы они использовались эффективно и давали отдачу". "Очень важно также знать цели", - отметил Путин и далее сам перечислил их: "Нанотехнология, безусловно, будет ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверхэффективного как наступательного, так и оборонительного вооружения, а также средств связи".
Нанотехнологии.
Нанотехнологии позволяют видоизменить вещества на уровне атомов и молекул и входят в число наиболее перспективных технологий XXI века. Именно нанотехнологии и результаты их применения будут определять прогресс и состояние дел практически во всех областях человеческой деятельности - от сельского хозяйства и медицины до космических исследований. Они способны изменить средства связи - новые транзисторы, оборону - новые виды оружия, борьбу с терроризмом - новые приборы слежения, медицину - новые лекарства и приборы, экологию - новые очистные устройства. С помощью таких технологий можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения.
В Британии объединили в рой 50 устройств.
Свои разработки в это области представили недавно британские ученые. Их научный интерес сосредоточился в области исследования иных планет: "умные" устройства размером с песчинку, которые будут разлетаться по ветру, могут помочь, в частности, в изучении Марса.
Такие устройства будут представлять собой компьютерный микрочип, покрытый пластиковой оболочкой, которая сможет менять свою форму при подаче электрического импульса и таким образом двигаться в направлении, определенном оператором. Электронную "пыль" можно помещать в носовую часть космических зондов и выпускать в атмосфере других планет, где они будут разноситься ветром.
С результатами разработок в этой области эксперты из университета Глазго в Шотландии познакомили коллег на собрании Национальной ассоциации астрономов. Доктор Джон Баркер, профессор Центра исследований в области наноэлектроники в Глазго, говорит, что при помощи беспроводных сетей из таких микроустройств радиусом в миллиметр можно будет в случае необходимости формировать рои. По словам Баркера, чипы подходящего размера и устройства существуют уже сегодня.
Если при помощи определенного электрического заряда полимерную оболочку такого устройства "сморщить", то пылинка станет подниматься выше, а если расплющить, то она пойдет вниз. А беспроводные сети позволят сбивать микроустройства в "стаи", и доктор Баркер с коллегами создали математическую модель этого процесса.
"Мы убедились в том, что большинство частиц могут "разговаривать" только с ближайшими соседями, но когда их много, они могут общаться на куда больших расстояниях, - объяснял шотландский ученый. - В ходе моделирования мы добились объединения 50 устройств в единый рой - и сумели это сделать, несмотря на сильный ветер".
Ученые уже продемонстрировали возможности "умной пыли", в которой - в объеме несколько кубических сантиметров - умещаются датчики, источники энергии, устройства цифровой связи и сетевые ячейки. Но если их применять для исследования других планет, то им нужны будут сенсоры, а нынешние химические сенсоры слишком велики, чтобы уместиться в летающую электронную "песчинку". Исследователи надеются, однако, что уже в ближайшие десятилетия появятся датчики куда меньших размеров.
В апреле 2007 года Джон Баркер изучил возможность исследования поверхности Марса с помощью множества миниатюрных беспроводных датчиков, «умной пыли», которые могут перемещаться по поверхности от одной точки к другой, изменяя свою форму. Д-р Баркер разработал компьютерную модель, с помощью которой рассматривал перемещение 30 тыс. миниатюрных датчиков по поверхности Марса. Каждый прибор в модели мог определять свое местоположение, а также изменять свою форму, меняя гладкую поверхность на неровную и наоборот. Датчики гладкой формы легко могут подхватываться и переноситься марсианским ветром, а, приобретая неровную форму, они снова попадают на поверхность Марса за счет увеличения сопротивления среды. Таким образом, изменяя форму приборов, можно управлять их движением. Результаты расчетов показали, что около 70% датчиков смогут успешно преодолеть заданный маршрут длиной 20 км.
Между тем, межпланетные исследования - далеко не единственная сфера применения "умной пыли". В числе других может быть использование микроустройств для сбора информации на поле боя или их внедрение в цемент с тем, чтобы изнутри наблюдать за "здоровьем" мостов, зданий и других сооружений.
Русское решение.
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. 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.
Алгоритм действия, придуманный российскими исследователями из Таганрогского радиотехнического института в 2003 году, 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. 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.
США уже активно испытывают "умную пыль".
Разработками так называемой "умной пыли" занимаются и в США. Еще в 2002 году директор исследовательского отдела Intel в Калифорнийском университете в Беркли Ганс Малдер сообщил, что они представляют собой "микроскопические устройства-сенсоры с автономным питанием, обладающие функцией беспроводной связи". По его словам устройства уже существуют и более того, проходят испытания.
В будущем тысячи этих дешевых беспроводных сенсоров, размещенных в самых различных местах, будут самостоятельно объединяться в сети и работать от встроенных источников питания в течение нескольких лет. Пока же сенсорные сети могут состоять всего из нескольких сотен "пылинок", поскольку эти устройства остаются слишком дорогими, а длительность их работы исчисляется всего несколькими днями. По словам Малдера, главным препятствие к массовому распространению сенсорных сетей является дороговизна источников питания, которые обходятся примерно в $150.
Американские военные планируют потратить миллиарды долларов на внедрение в практику «умной пыли». Как они считают, дело того стоит — сброшенная на территорию противника «умная пыль», состоящая из нанороботов, способна нанести врагу великий урон. Роботы будут воспроизводить себе подобных из подручного материала и шпионить, передавая информацию в главный компьютер, а по команде из Центра пойдут в наступление: проникнут в тела вражеских солдат (убивая их или просто обездвиживая), остановят любой двигатель, переориентируют любой сигнал или же просто взорвутся, уничтожая технику и живую силу на огромной территории. Малдер сообщил, что американские ученые разработали несколько сенсорных сетей на принципе "умной пыли". Одна сеть проходит "боевые" испытания в Афганистане, где вооруженные силы CША разместили несколько тысяч сенсоров с целью отслеживания передвижений боевой техники. Другая сеть используется на острове Дикой утки в штате Мэн, где с ее помощью ученые изучают миграцию буревестников, еще одна - в составе системы симулятора землетрясений в Беркли.
«Умная пыль» уже в продаже
Компания Dust Networks, техническим директором которой является Кристофер Пистер (Kris Pister), один из пионеров концепции «умной пыли» - распределенных сетей сверхмалых устройств, поддерживающих беспроводной обмен данными - представила рынке свой первый продукт. Первый тестовый комплект «умной пыли» под названием SmartMesh состоит из 12 миниатюрных устройств, называемых «пылинками». Цена всего комплекта, включающего сами устройства и ПО, составляет $4950 тыс.
Устройства связаны беспроводными линиями передачи и могут передавать данные с сенсоров, контролирующих температуру, скорость ветра, влажность либо иные параметры. Фактически они представляют собой беспроводные роутеры с батарейным питанием. С их помощью можно создавать, например, системы управления производственными процессами либо охранные системы. Скорость обмена данными у «пылинок» относительно низка, что позволяет обеспечить низкое энергопотребление и питание от автономных источников. Это, в свою очередь, позволяет существенно снизить стоимость эксплуатации систем на их основе, поскольку отпадает необходимость в проводке сетей электропитания, а также обеспечивает беспрецедентную гибкость системы.
SmartMesh представляет собой «слой», позволяющий организовать обмен данными между двумя другими «слоями» - датчиками, с одной стороны, и информационной системой, в рамках которой они функционируют, с другой. Каждая «пылинка» представляет собой узел беспроводной сети обмена данными с ультранизким энергопотреблением. Передача данных осуществляется от узла к узлу, аналогично тому, как происходит передача пакетов в сети интернет - за исключением того, что в системе <умной пыли> применяется вместо TCP/IP, ставшего фактическим промышленным стандартом, иной протокол передачи данных. Еще одно отличие - в том, что разработана технология, позволяющая держать устройства в выключенном состоянии большую часть времени. «Если держать радио все время включенным, - резонно отмечает Крис Пистер, - батарейки протянут лишь считанные недели». Новая технология позволила добиться ошеломляющего результата - отдельная «пылинка» на батарейках АА без их замены может проработать три года. Программное обеспечение Business 2.0, поставляемое в комплекте с «пылинками», позволяет им самим организовать сеть и обеспечить столь низкое энергопотребление.
По мнению авторов разработки, по мере того как концепция «умной пыли» будет получать все более широкое распространение, производители станут оснащать датчиками буквально каждую деталь, устройство и каждое помещение, что откроет возможность контроля и управления за широким спектром технологических процессов или, к примеру, за энергопотреблением, в режиме реального времени. Это позволит, в частности, повысить эффективность производства, создать более надежные охранные системы (оснастить датчиками вибрации весь охраняемый периметр) и улучшить урожайность полей (разместив датчики влажности и кислотности в почве у каждого растения).
Воплощение идеи «умной пыли» в жизнь потребовало немалых инвестиций. Dust Networks на ее разработку получила в общей сложности более $7 млн. от таких компаний, как Foundation Capital, Institutional Venture Partners. Одной из них стала In-Q-Tel - венчурная компания, финансируемая ЦРУ. Данных о том, во сколько обойдутся заказчикам большие промышленные сети «умной пыли», Dust Networks пока что не приводит.
Недалекое будущее.
Вообще же, сценариев, в которых могли бы быть рационально использованы сенсорные сети, великое множество: от наблюдения за состоянием виноградника (влажность, температура, зрелость, наличие вредоносных насекомых) до полноценной системы обеспечения безопасности, которая сможет контролировать буквально все: от наличия нарушителей в подконтрольной зоне до мониторинга атмосферы на предмет радиации и ядовитых веществ. В идеале же в будущем сенсорами будет оборудовано все — от городских зданий и автомобилей до тела человека.
Американские физики открыли, что нанотрубка резонирует с радиополем. На базе этого они построили приемник, который может принимать сигналы извне на частоте порядка 300;400 мегагерц, то есть радиодиапазон трубки можно настраивать. Трубка служит и антенной, и приемником. Следующая задача для сенсорных сетей в перспективе – это их внедрение на микро— и наноуровне. В организм человека, в здание, в сооружение и так далее. Лет через десять нанотехнологии с нанопередатчиками войдут в нашу повседневную жизнь.
Пока «пылинки» из «умной пыли» если и напоминают традиционную пыль, то только если смотреть на них с очень большого расстояния. Хотя маленькие коробочки микроконтроллеров уже достаточно миниатюрны, чтобы широко использоваться. Но это, как обычно, лишь начало пути.
Хотелось бы, чтобы в России успешно продолжались разработки сетей «умной пыли», потому что мир не стоит на месте. Речь идет о появлении нового сверхчеловека-завоевателя, с встроенным микрочипом в голове и искусственным сердцем, который пока еще топчется на восточных и ближневосточных задворках, но скоро придет в Россию во всем своем нечеловеческом величии.
P.S. "В ХХI веке нашей стране вновь необходима всесторонняя модернизация. И это будет первый в нашей истории опыт модернизации, основанной на ценностях и институтах демократии. Вместо примитивного сырьевого хозяйства мы создадим умную экономику, производящую уникальные знания, новые вещи и технологии, вещи и технологии, полезные людям." Из послания ФС Президента РФ Д.А. Медведева 12.11.2009.
Информация для статьи взята из открытых источников интернета.