Giới thiệu:
Trong một trong những blog trước, chúng ta đã nói về Giao tiếp phân tử lấy cảm hứng từ giao tiếp trong các hệ thống sinh học và sử dụng khái niệm Công nghệ Nano để thiết kế.
Hôm nay chúng ta sẽ thảo luận về một công nghệ nữa, đó là một trong những ứng dụng của thiết kế Công nghệ Nano, đó là Smart Dust. Trong công nghệ Nano, bụi thông minh là một mạng đặc biệt gồm các thiết bị nhỏ được trang bị cảm biến cơ điện tử vi mô không dây (MEMS). Bụi thông minh còn được gọi là Vật chất thông minh.
Định nghĩa:
Một lượng lớn thiết bị cơ điện vi mô khép kín có kích thước milimet bao gồm cảm biến, khả năng tính toán, công nghệ liên lạc không dây hai chiều và nguồn điện tạo thành Smart Dust.
Các thiết bị đơn lẻ này được gọi riêng là Motes. Hàng nghìn hạt bụi này được gọi chung là Bụi thông minh. Những hạt nhỏ như hạt bụi có thể phát tán trong bầu không khí của một nơi để theo dõi và thu thập dữ liệu về chất lượng không khí, nhiệt độ và nhiều thứ khác. Các thiết bị Bụi thông minh đã tìm thấy các ứng dụng trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ quân sự, khí tượng đến y tế.
Thành phần chính:
Thiết bị hút bụi thông minh bao gồm các thành phần sau:
- Cảm biến
- Máy thu dò ảnh
- Bộ phát thụ động với gương phản xạ Corner-Cube Retro
- Bộ phát chủ động với điốt laze và điều khiển chùm tia
- Đầu vào/đầu ra tương tự, xử lý tín hiệu (DSP hoặc vi điều khiển) và mạch điều khiển
- Nguồn điện từ Pin mặt trời và pin màng dày.
Nguồn hình ảnh:Researchgate.net
Bụi bụi siêu nhỏ như những hạt bụi. Do đó, những hạt bụi này là ví dụ hoàn hảo về các thiết bị sử dụng cả những tiến bộ tiến hóa và cách mạng trong công nghệ thu nhỏ, tích hợp và quản lý năng lượng. Các hệ thống vi cơ điện tử đã được sử dụng để thiết kế các cảm biến nhỏ, các thành phần truyền thông quang học và nguồn điện. Vi điện tử được sử dụng để cung cấp chức năng tuyệt vời với mức tiêu thụ điện năng thấp.
Smart Dust Motes bao gồm hai kiểu truyền chủ động và bị động. Việc truyền tích cực sử dụng điốt laze và gương điều khiển để liên lạc giữa thiết bị với thiết bị. Trong khi đó, gương phản xạ hình khối ở góc được sử dụng trong truyền thụ động để truyền đến Trạm gốc.
Nguyên lý hoạt động của Smart Dust:
Mỗi Smart Dust Motes bao gồm một bộ vi điều khiển xác định nhiệm vụ mà nó thực hiện và giám sát việc cung cấp điện cho các thành phần khác nhau của hệ thống để tiết kiệm năng lượng. Bộ vi điều khiển đọc các tín hiệu từ một trong các cảm biến đo các kích thích vật lý hoặc hóa học khác nhau như nhiệt độ, ánh sáng xung quanh, độ rung, gia tốc hoặc áp suất không khí. Khi nhận được tín hiệu, nó xử lý dữ liệu và lưu trữ vào bộ nhớ.
Bộ vi điều khiển cũng điều khiển bộ thu quang để kiểm tra bất kỳ tín hiệu liên lạc nào của bất kỳ ai. Các tín hiệu liên lạc này bao gồm các chương trình hoặc tin nhắn mới từ các vi-tơ khác. Để đáp lại những thông báo này hoặc theo sáng kiến của chính nó, bộ vi điều khiển truyền dữ liệu cảm biến hoặc thông báo đến một trạm cơ sở hoặc vi điểm khác bằng cách sử dụng tia laze hoặc gương phản xạ ngược khối lập phương góc.
Ưu điểm của Smart Dust:
Công nghệ Bụi thông minh có nhiều lợi ích tiềm năng và thực tế, có thể cách mạng hóa nhiều ngành công nghiệp khác nhau, từ nghiên cứu sinh thái, kiểm soát hàng tồn kho trong một tổ chức, nhiều chức năng khác nhau trong khu vực đô thị và quân đội .
- Giảm chi phí cơ sở hạ tầng và hệ thống.
- Nó giúp nhân viên tăng năng suất của nhà máy.
- Nó cải thiện sự an toàn, hiệu quả và tuân thủ tại nơi làm việc.
- Nó giúp người nông dân quản lý thời gian tốt hơn.
- Nó giúp cải thiện việc quản lý phân bón bằng cách xem xét nhu cầu của cây trồng.
- Nó giảm thiểu số lượng sản phẩm bị lỗi do lắp ráp.
- Các ưu điểm khác là giám sát tình trạng thiết bị, giám sát tài sản, kiểm soát máy móc cũng như giám sát và kiểm soát quy trình.
Nhược điểm của Smart Dust:
- Thách thức lớn nhất đang phải đối mặt là quyền riêng tư cần được xử lý đúng cách.
- Nó đã gây ra các vấn đề bất lợi về môi trường trong một số ứng dụng nhất định.
- Các cảm biến trong thiết kế chống bụi thông minh rất tốn kém và do đó giá thành của hệ thống sẽ cao.
- Một bất lợi tiềm tàng có thể phát sinh nếu các công ty sử dụng bụi thông minh lấy năng lượng từ các nguồn phóng xạ. Mặc dù các nhà nghiên cứu xác nhận rằng nó sẽ không có bất kỳ tác hại nào nhưng người lao động có thể từ chối làm việc.
Ứng dụng của Smart Dust:
- Nhà máy hóa chất và tự động hóa nhà máy – Máy hút bụi thông minh có thể được đặt trong đường ống của các nhà máy hóa chất để phát hiện khả năng ăn mòn xảy ra trong đó hoặc để kiểm tra sự vô tình giải phóng hóa chất.
Smart Dust Motes cũng có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của phòng máy chủ, từ đó kiểm soát hoạt động của máy điều hòa không khí.
- Giám sát Môi trường và Môi trường sống – Cũng có thể chế tạo các hạt bụi thông minh với các cảm biến có thể xác định mức độ ô nhiễm trong khí quyển. Những hạt bụi thông minh có thể được thả trong rừng và các cảm biến sẽ cảnh báo chúng ta về những đám cháy có thể xảy ra.
- Cảm biến công nghiệp – Bụi thông minh được sử dụng trong các ngành không thể lắp đặt cảm biến có dây, chẳng hạn như máy quay và đường hầm gió.
- Lĩnh vực Giao thông vận tải – Bụi thông minh có thể mang lại lợi ích to lớn trong giám sát giao thông và nhận dạng biển báo giao thông trong điều kiện thời tiết xấu. Bọ bụi thông minh có thể hoạt động như một đài truyền hình và truyền tín hiệu đến hệ thống của ô tô để người lái xe nhận biết biển báo phía trước trong thời tiết xấu và tầm nhìn kém.
- Cảm biến quân sự – Bụi thông minh có thể giúp ích trong việc theo dõi chuyển động của kẻ thù trong các khu vực không thể tiếp cận. Họ cũng kiểm tra xem có thải ra bất kỳ chất độc hại và nguy hiểm nào trong không khí hay không.
- Lĩnh vực nông nghiệp – Bụi thông minh có thể được sử dụng trong lĩnh vực nông nghiệp để theo dõi nhiệt độ không khí trên cánh đồng trồng nho. Chúng có thể truyền tín hiệu cảnh báo khi phát hiện băng giá để bảo vệ chúng khỏi mọi hư hỏng. Các vi khuẩn cũng có thể được chế tạo với các cảm biến có thể theo dõi và nắm bắt độ pH cũng như độ mặn của đất.
Kết luận:
Các ứng dụng và lợi ích của công nghệ bụi thông minh là vô tận. Nó có thể chứng minh là có lợi thế lớn trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống mà tâm trí con người có thể nghĩ ra. Về cơ bản, nhiều nghiên cứu đang được tiến hành để kiểm tra tính thực tiễn của các ứng dụng và làm cho chúng trở nên nhỏ nhất có thể.