مشاهده نسخه کامل
: chista
12-04-2007, 09:13
ريزحسگرهايی در ابعاد گرد و غبار به جمع آوری و ارسال اطلاعات می پردازند
در طول شب، هواپيمای نظامی با عبور از فراز منطقه جنگی، "گرد" نرمی را در سراسر منطقه پخش می کند. صبح فردا به محض کوچکترين جابجايی نيروهای دشمن، اين "گرد و غبار"، فعال شده و شروع به ارسال سيگنال های اطلاعاتی می کنند.
... "ذرات" ريزی که بر روی ناخن انگشتان مرد چسبانده شده اند، با محاسبه جهت، سرعت و شتاب حرکت انگشتان، به عنوان يک صفحه کليد بی سيم عمل کرده و اطلاعات نوشتاری و گرافيکی را به ريزپردازنده موجود در ساعت مچی او می فرستند.
... "پودر" بسيار نرم موجود در سرنگ، به بازوی زن تزريق می شود. ظرف کمتر از يک شبانه روز، "پودر" سيگنال هايی را به گيرنده خارجی ارسال کرده و نشان می دهد که زن تا ۱۰ سال ديگر به سرطان سينه مبتلا خواهد شد. اما خوشبختانه به دليل تشخيص بسيار زود هنگام، می توان بيماری را سالها قبل از بروز، درمان کرد.
اينها صحنه هايی از فيلم های علمی- تخيلی هاليوودی نيستند. لااقل از اين پس ديگر تخيلی نيستند؛ بلکه تنها نمونه هايی از کاربردهای بيشمار "غبار هوشمند" يا Smart Dust هستند!
کلمات غريبه، فناوری آشنا
امروزه واژه MEMS که به معنای "سيستم های الکترو مکانيکی ميکرومتری" است، تبديل به عبارتی معروف و کاربردی در فناوری برتر و تلفيقی دنيا شده است.
اين فناروی برای ساخت وسايل بسيار ريز (در ابعاد ميلی متری تا ميکرومتری) به کار می آيد.
اين وسايل و ادوات کوچک، نه تنها همچون يک قطعه الکترونيکی به پردازش و انتقال اطلاعات می پردازند بلکه می توانند وظايف مکانيکی را هم بر عهده بگيرند؛ گاهی همچون ريز حسگرها، مشخصات محيط يا حرکتهای مکانيکی را ثبت می کنند و گاهی مثل روباتهای ريز، خود عامل ايجاد يا انتقال حرکت می شوند و مثلا چرخ دنده های بسيار کوچکی را به گردش در می آورند.
تحقيقات اوليه در اين زمينه، در سال های آغازين دهه هفتاد قرن گذشته ميلادی شروع شد و طی دو دهه بعد و با پيشرفت حيرت انگيز نانوتکنولوژی، دو واژه جديد ديگر نيز در کنار MEMS پديدار شدند:
MOEMS يا "سيستم های ميکرومتری الکترومکانيکی نوری"، نوع خاصی از MEMS است که يا به عنوان ريزحسگر، سيگنال های نوری را دريافت و پردازش می کند و يا چنين سيگنال هايی را توليد می کند و انتقال می دهد.
و NEMS يا "سيستم های الکترومکانيکی نانومتری" که قابليت های MEMS را در ابعاد بسيار کوچکتر به کار می گيرد.
شايد تاکنون هيچ يک از اين عبارات را نشنيده باشيد، اما احتمالا بدون آنکه خود بدانيد، در محيط کار و خانه با آنها سروکار داريد؛ ريزحسگرهای الکترومکانيکی به وفور در افشانه چاپگرهای جوهرافشان، گوشی های تلفن همراه، تجهيزات پزشکی و خصوصاً کيسه هوای اتومبيل ها و بسياری از تجهيزات ديگر به کار گرفته شده اند.
غباری که هوشمند است
ذرات کوچکی را با ابعاد ميلی متری تصور کنيد که هر کدام به اندازه يک دانه ماسه هستند. اما اين ذره های ريز در درون خود، دارای ساختارهای نانو، ابزارهای الکترومکانيکی و قابليت ارسال و دريافت اطلاعات هستند.
اين تصور بلندپروازانه امروز عملی شده است و دانشمندان آن را با نام "غبار هوشمند" معرفی می کنند.
عبارت غبار هوشمند را محققان برای توصيف تعداد بسيار زيادی از ريزحسگرهای ارزان قيمت برگزيده اند که پس از پراکنده شدن در محيط می توانند انواع شاخصه های محيطی، از ويژگی های شيميايی خاک تا رايحه های موجود در هوا را شناسايی کنند.
اين حسگرها می توانند دما، رطوبت، فشار، شدت نور، بو، سرعت، شتاب، جهت، ارتفاع، شيب، لرزش، و ساير پارامترهای فيزيکی، شيميايی و زيستی را بررسی و تحليل کنند.
پروفسور کريستوفر پيستر، استاد دانشکده مهندسی الکترونيک و علوم کامپيوتر دانشگاه کاليفرنيا در برکلی و مدير مرکز حسگرها و محرک های برکلی، از سال ۱۹۹۷ تحقيق در زمينه "غبار هوشمند" را آغاز کرد.
يک سال بعد، يکی از موسسات وابسته به پنتاگون به نام آژانس پروژه های تحقيقاتی پيشرفته دفاعی - دارپا - که در سالهای آغازين دهه ۱۹۷۰، پايه گذار اصلی اينترنت بود- به اين پروژه علاقمند شد و با تخصيص بودجه، از پروفسور پيستر خواست تا ظرف پنج سال، ضمن عملی کردن اين ايده ارزشمند، کاربردهای نظامی آنرا نيز - از جمله در زمينه نظارت و جاسوسی- گسترش دهد.
بدين ترتيب، فاز جديدی از تحقيقات آغاز شد. طرح پروفسور پيستر عبارت بود از توليد "ذرات" کوچک و ارزان قيمت، مرکب از MEMS، مغز محاسباتی و تحليلی، به همراه سيستم ارتباطی دوسويه و بی سيم؛ به نحوی که بتوانند با ساير "ذرات" تبادل اطلاعات کرده و در نهايت، اطلاعات پردازش شده را به يک گيرنده دستی، کامپيوتر يا حتی ماهواره ارسال کنند.
در بخش سخت افزاری پروژه، شرکت عظيم اينتل Intel و شرکت Crossbow با مرکز حسگرهای برکلی همکاری تنگاتنگی دارند.
از ديگر سو، به دليل "هوشمندی" اين "ذرات"، يک سيستم عامل بسيار ويژه نيز مورد نياز بود که نسخه اول آن تحت عنوان TinyOS و بصورت منبع باز (اوپن سورس) در دانشکده کامپيوتر دانشگاه برکلی طراحی شد و تا کنون نسخه دوم آن نيز ارائه شده است.
نکته جالب آنکه حافظه مورد نياز برای بارگذاری اين سيستم عامل، کمتر از هشت کيلوبايت است.
عبور از موانع
با توجه به گسترش روزافزون MEMS و NEMS و نيز پيشرفت های چشمگير نانوتکنولوژی، در زمينه ساخت "ذرات" غبار هوشمند يا Moteها مشکل فنی چندانی متصور نبوده و نيست.
به عنوان مثال، دکتر مايکل سيلر، از شيمی دانان دانشگاه کاليفرنيا در سن ديه گو، توانسته حسگرهايی به ابعاد سطح مقطع يک تار موی انسان را بسازد.
پروفسور پيستر نيز تا کنون موفق به ساخت "ذرات" يا moteهای کامل، به ابعاد يک دانه برنج شده است. اما مشکل اصلی، تامين انرژی مصرفی و مورد نياز آنهاست.
استفاده از باتری های شيميايی معمولی و در ابعاد مناسب برای moteها، عملی نيست؛ چراکه در اين صورت، "ذرات" به سرعت توان خود را از دست داده و از کار می افتند.
برای حل اين مشکل اساسی، تاکنون روش های مختلفی در نظر گرفته شده و يا در دست بررسی هستند.
از جمله آنها می توان به استفاده از باتری های خورشيدی، اتمی، و نيز استفاده از تايمر (برای کاهش مصرف انرژی در زمان های غير فعال)، اشاره کرد.
همچنين هم اکنون در برکلی، تحقيق بر روی طرحی برای استفاده از سلول سوختی در جريان است و اميد می رود که تا سال ۲۰۰۸ عملی شود. اين سلول های سوختی، از انرژی های محيطی، از جمله نور بسيار کم يا حتی لرزش خفيف زمين (ناشی از تردد يا کارکردن تجهيزات)، بهره جسته و آنها را به انرژی الکتريکی مورد نياز "غبار هوشمند"، تبديل می کنند.
مشکل ديگری که در راه توسعه "غبار هوشمند" وجود داشت، هزينه توليد آنها بود؛ چراکه برای ايجاد شبکه های متشکل از اين "ذرات"، تعداد بسيار زيادی از آنها مورد نياز هستند.
اما با پيشرفت سريع تکنولوژی و افت شديد هزينه ها، اين مشکل تقريباً برطرف شده؛ آنچنانکه مايکل هميلتون از دانشگاه کاليفرنيا می گويد: "اگر بيست سال پيش می خواستيم اين ذرات را بسازيم، بايد برای هرکدام ميليون ها دلار هزينه می کرديم. اما اکنون هزينه هريک از آنها کمتر از يکصد دلار است و تا قبل از سال ۲۰۱۰، به کمتر از يک دلار تقليل خواهد يافت."
با توليد ذرات يک دلاری، فکر استفاده گسترده از غبار هوشمند در سطح صنعتی و تجاری، ديگر دور از دسترس نخواهد بود و عملی به نظر می رسد.
همچنين نبايد فراموش کرد که توليد و فروش "غبار هوشمند"، بسيار سودمند و اقتصادی خواهد بود. مجله "تايم" طی گزارشی در سال ۲۰۰۴ اعلام کرد که توليد اين ذرات می تواند ظرف ۱۰ سال آينده، به بازاری ۵۰ ميليارد دلاری دست يابد.
سمت تاريک و افق های روشن
اما اين طرح نيز همچون هر نوآوری ديگر، منتقدانی دارد.
بسياری از اين منتقدان، نقض احتمالی حريم خصوصی افراد را بزرگترين اشکال وارد بر آن می دانند. گروهی ديگر نيز، تاثيرات زيست محيطی استفاده از "غبار هوشمند" را گوشزد می کنند.
اما پيستر در پاسخ به منتقدان می گويد: "هرکاری، از مهندسی تا آرايش موی سر، در کنار فوايد خود، ممکن است نکاتی منفی نيز به همراه داشته باشد؛ با وجود اين اگر احتمال می دادم که جنبه های منفی غبار هوشمند، بيشتر و يا حتی قابل قياس با آثار مثبت آن باشد، به هيچ وجه کار بر روی اين پروژه را نمی پذيرفتم."
در هر حال، بديهی است که پنتاگون از سرمايه گذاری بر روی اين پروژه کاملاً راضی است؛ به گونه ای که بودجه بسيار بيشتری را برای ادامه تحقيقات در اين زمينه اختصاص داده است.
هم اکنون از شبکه های غبار هوشمند (هرچند هنوز ابعاد ذراتشان بسيار بزرگتر از ابعاد گرد و غبار واقعی است)، در زمينه رهگيری جنگجويان طالبان در افغانستان استفاده می شود و پنتاگون از نتايج حاصل از آنها، اظهار رضايت کرده است.
اما پروفسور پيستر چشم اندازی بسيار فراتر از اين را در نظر دارد. وی می گويد: "شايد به زودی بتوانيم حسگرهای حرارتی و رطوبتی ای را که در تار و پود لباس هايمان تنيده شده اند، به تن کنيم. حسگرهايی که بطور پيوسته با محيط اطراف در ارتباط بوده و شرايط را با توجه به نيازهای ما، تنظيم می کنند".
پيستر که از سال ۲۰۰۲، مديريت شرکت Dust Inc. را نيز در اختيار دارد، در ژانويه ۲۰۰۶ جايزه الکساندر شوارتسکف را برای عملياتی و تجاری کردن "غبار هوشمند" دريافت کرده است.
منبع: مجله زیگ زاگ
در طول شب، هواپيمای نظامی با عبور از فراز منطقه جنگی، "گرد" نرمی را در سراسر منطقه پخش می کند. صبح فردا به محض کوچکترين جابجايی نيروهای دشمن، اين "گرد و غبار"، فعال شده و شروع به ارسال سيگنال های اطلاعاتی می کنند.
... "ذرات" ريزی که بر روی ناخن انگشتان مرد چسبانده شده اند، با محاسبه جهت، سرعت و شتاب حرکت انگشتان، به عنوان يک صفحه کليد بی سيم عمل کرده و اطلاعات نوشتاری و گرافيکی را به ريزپردازنده موجود در ساعت مچی او می فرستند.
... "پودر" بسيار نرم موجود در سرنگ، به بازوی زن تزريق می شود. ظرف کمتر از يک شبانه روز، "پودر" سيگنال هايی را به گيرنده خارجی ارسال کرده و نشان می دهد که زن تا ۱۰ سال ديگر به سرطان سينه مبتلا خواهد شد. اما خوشبختانه به دليل تشخيص بسيار زود هنگام، می توان بيماری را سالها قبل از بروز، درمان کرد.
اينها صحنه هايی از فيلم های علمی- تخيلی هاليوودی نيستند. لااقل از اين پس ديگر تخيلی نيستند؛ بلکه تنها نمونه هايی از کاربردهای بيشمار "غبار هوشمند" يا Smart Dust هستند!
کلمات غريبه، فناوری آشنا
امروزه واژه MEMS که به معنای "سيستم های الکترو مکانيکی ميکرومتری" است، تبديل به عبارتی معروف و کاربردی در فناوری برتر و تلفيقی دنيا شده است.
اين فناروی برای ساخت وسايل بسيار ريز (در ابعاد ميلی متری تا ميکرومتری) به کار می آيد.
اين وسايل و ادوات کوچک، نه تنها همچون يک قطعه الکترونيکی به پردازش و انتقال اطلاعات می پردازند بلکه می توانند وظايف مکانيکی را هم بر عهده بگيرند؛ گاهی همچون ريز حسگرها، مشخصات محيط يا حرکتهای مکانيکی را ثبت می کنند و گاهی مثل روباتهای ريز، خود عامل ايجاد يا انتقال حرکت می شوند و مثلا چرخ دنده های بسيار کوچکی را به گردش در می آورند.
تحقيقات اوليه در اين زمينه، در سال های آغازين دهه هفتاد قرن گذشته ميلادی شروع شد و طی دو دهه بعد و با پيشرفت حيرت انگيز نانوتکنولوژی، دو واژه جديد ديگر نيز در کنار MEMS پديدار شدند:
MOEMS يا "سيستم های ميکرومتری الکترومکانيکی نوری"، نوع خاصی از MEMS است که يا به عنوان ريزحسگر، سيگنال های نوری را دريافت و پردازش می کند و يا چنين سيگنال هايی را توليد می کند و انتقال می دهد.
و NEMS يا "سيستم های الکترومکانيکی نانومتری" که قابليت های MEMS را در ابعاد بسيار کوچکتر به کار می گيرد.
شايد تاکنون هيچ يک از اين عبارات را نشنيده باشيد، اما احتمالا بدون آنکه خود بدانيد، در محيط کار و خانه با آنها سروکار داريد؛ ريزحسگرهای الکترومکانيکی به وفور در افشانه چاپگرهای جوهرافشان، گوشی های تلفن همراه، تجهيزات پزشکی و خصوصاً کيسه هوای اتومبيل ها و بسياری از تجهيزات ديگر به کار گرفته شده اند.
غباری که هوشمند است
ذرات کوچکی را با ابعاد ميلی متری تصور کنيد که هر کدام به اندازه يک دانه ماسه هستند. اما اين ذره های ريز در درون خود، دارای ساختارهای نانو، ابزارهای الکترومکانيکی و قابليت ارسال و دريافت اطلاعات هستند.
اين تصور بلندپروازانه امروز عملی شده است و دانشمندان آن را با نام "غبار هوشمند" معرفی می کنند.
عبارت غبار هوشمند را محققان برای توصيف تعداد بسيار زيادی از ريزحسگرهای ارزان قيمت برگزيده اند که پس از پراکنده شدن در محيط می توانند انواع شاخصه های محيطی، از ويژگی های شيميايی خاک تا رايحه های موجود در هوا را شناسايی کنند.
اين حسگرها می توانند دما، رطوبت، فشار، شدت نور، بو، سرعت، شتاب، جهت، ارتفاع، شيب، لرزش، و ساير پارامترهای فيزيکی، شيميايی و زيستی را بررسی و تحليل کنند.
پروفسور کريستوفر پيستر، استاد دانشکده مهندسی الکترونيک و علوم کامپيوتر دانشگاه کاليفرنيا در برکلی و مدير مرکز حسگرها و محرک های برکلی، از سال ۱۹۹۷ تحقيق در زمينه "غبار هوشمند" را آغاز کرد.
يک سال بعد، يکی از موسسات وابسته به پنتاگون به نام آژانس پروژه های تحقيقاتی پيشرفته دفاعی - دارپا - که در سالهای آغازين دهه ۱۹۷۰، پايه گذار اصلی اينترنت بود- به اين پروژه علاقمند شد و با تخصيص بودجه، از پروفسور پيستر خواست تا ظرف پنج سال، ضمن عملی کردن اين ايده ارزشمند، کاربردهای نظامی آنرا نيز - از جمله در زمينه نظارت و جاسوسی- گسترش دهد.
بدين ترتيب، فاز جديدی از تحقيقات آغاز شد. طرح پروفسور پيستر عبارت بود از توليد "ذرات" کوچک و ارزان قيمت، مرکب از MEMS، مغز محاسباتی و تحليلی، به همراه سيستم ارتباطی دوسويه و بی سيم؛ به نحوی که بتوانند با ساير "ذرات" تبادل اطلاعات کرده و در نهايت، اطلاعات پردازش شده را به يک گيرنده دستی، کامپيوتر يا حتی ماهواره ارسال کنند.
در بخش سخت افزاری پروژه، شرکت عظيم اينتل Intel و شرکت Crossbow با مرکز حسگرهای برکلی همکاری تنگاتنگی دارند.
از ديگر سو، به دليل "هوشمندی" اين "ذرات"، يک سيستم عامل بسيار ويژه نيز مورد نياز بود که نسخه اول آن تحت عنوان TinyOS و بصورت منبع باز (اوپن سورس) در دانشکده کامپيوتر دانشگاه برکلی طراحی شد و تا کنون نسخه دوم آن نيز ارائه شده است.
نکته جالب آنکه حافظه مورد نياز برای بارگذاری اين سيستم عامل، کمتر از هشت کيلوبايت است.
عبور از موانع
با توجه به گسترش روزافزون MEMS و NEMS و نيز پيشرفت های چشمگير نانوتکنولوژی، در زمينه ساخت "ذرات" غبار هوشمند يا Moteها مشکل فنی چندانی متصور نبوده و نيست.
به عنوان مثال، دکتر مايکل سيلر، از شيمی دانان دانشگاه کاليفرنيا در سن ديه گو، توانسته حسگرهايی به ابعاد سطح مقطع يک تار موی انسان را بسازد.
پروفسور پيستر نيز تا کنون موفق به ساخت "ذرات" يا moteهای کامل، به ابعاد يک دانه برنج شده است. اما مشکل اصلی، تامين انرژی مصرفی و مورد نياز آنهاست.
استفاده از باتری های شيميايی معمولی و در ابعاد مناسب برای moteها، عملی نيست؛ چراکه در اين صورت، "ذرات" به سرعت توان خود را از دست داده و از کار می افتند.
برای حل اين مشکل اساسی، تاکنون روش های مختلفی در نظر گرفته شده و يا در دست بررسی هستند.
از جمله آنها می توان به استفاده از باتری های خورشيدی، اتمی، و نيز استفاده از تايمر (برای کاهش مصرف انرژی در زمان های غير فعال)، اشاره کرد.
همچنين هم اکنون در برکلی، تحقيق بر روی طرحی برای استفاده از سلول سوختی در جريان است و اميد می رود که تا سال ۲۰۰۸ عملی شود. اين سلول های سوختی، از انرژی های محيطی، از جمله نور بسيار کم يا حتی لرزش خفيف زمين (ناشی از تردد يا کارکردن تجهيزات)، بهره جسته و آنها را به انرژی الکتريکی مورد نياز "غبار هوشمند"، تبديل می کنند.
مشکل ديگری که در راه توسعه "غبار هوشمند" وجود داشت، هزينه توليد آنها بود؛ چراکه برای ايجاد شبکه های متشکل از اين "ذرات"، تعداد بسيار زيادی از آنها مورد نياز هستند.
اما با پيشرفت سريع تکنولوژی و افت شديد هزينه ها، اين مشکل تقريباً برطرف شده؛ آنچنانکه مايکل هميلتون از دانشگاه کاليفرنيا می گويد: "اگر بيست سال پيش می خواستيم اين ذرات را بسازيم، بايد برای هرکدام ميليون ها دلار هزينه می کرديم. اما اکنون هزينه هريک از آنها کمتر از يکصد دلار است و تا قبل از سال ۲۰۱۰، به کمتر از يک دلار تقليل خواهد يافت."
با توليد ذرات يک دلاری، فکر استفاده گسترده از غبار هوشمند در سطح صنعتی و تجاری، ديگر دور از دسترس نخواهد بود و عملی به نظر می رسد.
همچنين نبايد فراموش کرد که توليد و فروش "غبار هوشمند"، بسيار سودمند و اقتصادی خواهد بود. مجله "تايم" طی گزارشی در سال ۲۰۰۴ اعلام کرد که توليد اين ذرات می تواند ظرف ۱۰ سال آينده، به بازاری ۵۰ ميليارد دلاری دست يابد.
سمت تاريک و افق های روشن
اما اين طرح نيز همچون هر نوآوری ديگر، منتقدانی دارد.
بسياری از اين منتقدان، نقض احتمالی حريم خصوصی افراد را بزرگترين اشکال وارد بر آن می دانند. گروهی ديگر نيز، تاثيرات زيست محيطی استفاده از "غبار هوشمند" را گوشزد می کنند.
اما پيستر در پاسخ به منتقدان می گويد: "هرکاری، از مهندسی تا آرايش موی سر، در کنار فوايد خود، ممکن است نکاتی منفی نيز به همراه داشته باشد؛ با وجود اين اگر احتمال می دادم که جنبه های منفی غبار هوشمند، بيشتر و يا حتی قابل قياس با آثار مثبت آن باشد، به هيچ وجه کار بر روی اين پروژه را نمی پذيرفتم."
در هر حال، بديهی است که پنتاگون از سرمايه گذاری بر روی اين پروژه کاملاً راضی است؛ به گونه ای که بودجه بسيار بيشتری را برای ادامه تحقيقات در اين زمينه اختصاص داده است.
هم اکنون از شبکه های غبار هوشمند (هرچند هنوز ابعاد ذراتشان بسيار بزرگتر از ابعاد گرد و غبار واقعی است)، در زمينه رهگيری جنگجويان طالبان در افغانستان استفاده می شود و پنتاگون از نتايج حاصل از آنها، اظهار رضايت کرده است.
اما پروفسور پيستر چشم اندازی بسيار فراتر از اين را در نظر دارد. وی می گويد: "شايد به زودی بتوانيم حسگرهای حرارتی و رطوبتی ای را که در تار و پود لباس هايمان تنيده شده اند، به تن کنيم. حسگرهايی که بطور پيوسته با محيط اطراف در ارتباط بوده و شرايط را با توجه به نيازهای ما، تنظيم می کنند".
پيستر که از سال ۲۰۰۲، مديريت شرکت Dust Inc. را نيز در اختيار دارد، در ژانويه ۲۰۰۶ جايزه الکساندر شوارتسکف را برای عملياتی و تجاری کردن "غبار هوشمند" دريافت کرده است.
منبع: مجله زیگ زاگ