Умная пыль. "умная пыль": облака микророботов
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.
По материалам агентства "Информ-наука".ИПЛИТ РАН и Лаборатория интеллектуальных исследований «ЛИНТЕХ» разрабатывают технологию распределенных сенсорных сетей (РСС). О том, насколько реально нашей стране совершить беспрецедентный по своим масштабам рывок в развитии индустрии РСС, рассказывает генеральный директор ООО «ЛИНТЕХ» Юрий Аурениус .
К сожалению, есть стратегически важные отрасли технологического прогресса, в которых Россия в периоды перестройки, хаоса 90-х и становления политической стабильности начала XXI века безнадежно отстала от Запада и стремительно набирающих потенциал азиатских тигров.
Среди таких областей науки микроэлектроника, техническая кибернетика, робототехника и многие другие сферы, являющиеся основой перехода экономики стран на индустрию 5-го технологического порядка. Особенно можно выделить развитие технологий телекоммуникаций и связи, от которых наиболее остро зависит эффективность управления и качество контроля над важнейшими объектами производства, а также всем комплексом т.н. народного хозяйства.
Стоит признать, что стандарты Wi-Fi и Bluetooth, которые мы воспринимаем как передовые и наиболее эффективные средства коммуникаций, далеко не самые современные и надежные. Все больше в массовое практическое применение в мире внедряются распределенные сенсорные сети (РСС) , готовые работать как «умная пыль» – самостоятельно организовываться в единую интеллектуальную сеть и контролировать по тысячам целевых параметров квартиры, жилые дома, целые города и даже континенты.
Они в десятки раз надежнее существующих беспроводных сетей, позволяют формировать системы автоматического решения огромного комплекса жизненно важных задач практически без вмешательства человека. Восполнить этот техногенный пробел и втолкнуть Россию в последний вагон уходящего поезда передовых инноваций в области беспроводных телекоммуникаций сегодня шансы еще есть.
Наиболее перспективным проектом по разработке отечественных чипов стандарта ZigBee и программного обеспечения для их активного применения в различных областях можно назвать команду Института лазерных и информационных технологий РАН (г. Шатура) и Лаборатории интеллектуальных исследований «ЛИНТЕХ». О том, насколько реально нашей стране совершить беспрецедентный по своим масштабам рывок в развитии индустрии РСС, рассказывает генеральный директор ООО «ЛИНТЕХ» Юрий Аурениус .
─ Юрий, расскажите, как говорится на пальцах, в чем же состоит особенность этой технологии? Сенсорные сети – звучит как-то научно-фантастически…
─ Лучше бы Вам рассказал наш технический директор Игорь Воронин, он один из ведущих в России специалистов в области РСС. Особенностей и преимуществ у сенсорных сетей множество. Основные, пожалуй, две – произвольно расположенные модули сенсорной сети мгновенно самостоятельно организуются в единую сеть. И вторая – то, что Wi-Fi и Bluetooth строятся по технологии «звезда» – это когда одна точка раздает всем сетевые настройки и к ней прицепляются другие «дочерние» устройства, а сеть по стандарту ZigBee способна стать смешанной сетью, которая сама формируется в структуру со случайными связями. Сенсорная сеть – это MESH. Визуально она представляет собой не звезду («точка- многоточка») , а рыболовную сеть – т.е. каждый элемент такой сети взаимодействует с множеством соседних элементов, образуя необходимое соединение. Это и обеспечивает в разы большую надежность передачи данных. Чем больше в ней участников – тем больше надежность передачи данных. Сеть может потерять до 40% активных устройств, сохранив свой основной функционал. Область применения практически не ограниченна – от распространенных бытовых приборов до серьезных систем мониторинга и жизнеобеспечения.
Но соединить модули одного стандарта в одну сеть – не самая сложная задача. Это происходит автоматически. А вот далее, к каждой такой сети предъявляются разные требования – одним требуется часто передавать данные из точек к центру, другим – один раз каждый час, третьим гарантировано передавать данные с заданной длительностью, у четвертых может быть задача один раз в год во время пожара включиться и передать данные, а все остальное время «спать» – там должна быть максимальная работоспособность сети без замены батарей. Разные задачи решаются разными требованиями к сети. Отсюда возникают разные протоколы и алгоритмы взаимодействия компонентов сети – как всем датчикам одновременно «проснуться», передать информацию и потом опять заснуть, чтобы не тратить драгоценную в этом случае энергию. Или, наоборот, – по какой схеме им надо включаться и засыпать, чтобы гарантированно собрать и пере-дать данные на центральный узел сбора и обработки данных.
Сеть состоит из узлов – т.н. мотов. Каждый узел это программно-аппаратное устройство, представляющее из себя приемопередатчик, главный чип (микропроцессор), который обрабатывает команды, современный блок автономного питания и какой-то сенсор. Если Вы не знаете, сенсор, по-русски, – датчик. К каждому такому моту можно подключить несколько различных датчиков. Чем больше датчиков прицепляем к одному узлу, то тем больше различных параметров мы можем замерять, но при этом и расход энергии батарей увеличивается. Датчики, как правило, используются стандартные. Это замеры температуры, давления, влажности, освещенности, вибрации, шума, положения в пространстве (инклинометры), количества оборотов (энкодеры), радиации, угарного газа (CO/CH). Кроме датчиков можно устанавливать и управляемые исполнительные устройства. Тогда каждый узел сети начинает работать уже как «умный дом» – собирает необходимую информацию и передает ее для обработки, затем получает сигнал управления «из центра » и выдает его для отработки исполнительному устройству. И никаких проводов и сомнений в надежности системы.
Сенсоры могут также быть специально разработанные. Но в этом случае стоимость узла резко вырастает. Как правило, для построения сети используют десятки узлов, датчики стараются использовать стандартные. Они дешевле за счет массового производства, ремонтопригодны или быстро заменяемы – главное, чтобы удовлетворяли требуемым параметрам. В сети есть координаторы – более «умные» моты, которые выполняют основные функции синхронизации сети, при включении они опрашивают все доступные устройства и выстраивают по ним сеть. Есть промежуточные узлы – ретрансляторы, или роутеры. И третий уровень – это конечные устройства. К ним-то как раз сенсоры и прицепляют. Через ретрансляторы выстраивается сеть, по которой передаются пакетами собранные данные и они все стекаются в единую точку сбора. Расстояние между устройствами, как правило, в настоящее время не превышают 100 метров. Хотя уже разработаны и поступили в продажу чипы, которые связываются между собой на расстоянии до 1 км. Правда, при этом, надо понимать, если сигнал проходит на большее расстояния – значит будет и больший расход батарей, сеть быстрее израсходует энергию. Есть специальные операционные системы для сенсорных сетей – это TinyOS, а все разработки ведутся обычно на языке С, под операционные системы-аналоги Linux.
─ Ого! С помощью такой сети, получается, можно огромные пространства контролировать?
─ А то! Если, к примеру, расставить 64 тысячи чипов на расстоянии 1 километра, то первый и последний окажутся на расстоянии снова 1 км. Потому что мы так обогнем весь шар земной. Правда, таких глобальных экспериментов пока еще никто не проводил, а вот для управления уличным освещением, например, в Англии сенсорная сеть уже используется.
─ У вас уже есть что показать на практическом примере?
─ У нас сегодня уже несколько проектов в стадии тестовой эксплуатации. Например, проект в области промышленного мониторинга. На территории Шатурской ГРЭС №5 была развернута сеть РСС для осуществления термоконтроля на линии рециркуляции питательных насосов блоков №№ 1–6. Температура трубопровода в районе исследования составляет 230° С в нормальном состоянии. Точность измерения 5–10 градусов, замеры проводятся раз в 10 сек. Такой технологический мониторинг возможен не только на предприятиях энергетики, но еще и в районных котельных, электрощитовых, в химическом производстве, поскольку РСС имеют преимущества: быстрый монтаж, простота и удобство в обслуживании.
Большое внимание уделяем применению сенсорных сетей в системе ЖКХ. Ведем разработки уже в нескольких городах и коттеджных поселках Подмосковья. Я считаю это направление развития наиболее перспективным, пожалуй, вместе с системами сигнализаций и безопасности. Очевидно, с использованием РСС может осуществляться лифтовой и инженерный мониторинг всех городских систем ЖКХ, организация управления всеми техническими устройствами жилых и административных зданий, сбор данных приборов учета, необходимых для выставления счетов, реализованы все виды систем сигнализаций (охранная, пожарная) и безопасности (тревожные кнопки, брелки) и т.п. Очень важно, что внутридомовая инженерная система, основанная на РСС, помогает в случаи аварии или протечек в автоматическом режиме перекрывать трехходовой кран с одновременным информированием дежурного диспетчера о месте протечки, пресекая тем самым аварийную утечку воды из трубопровода. Также возможно управление вентиляцией – влажностью и температурой в помещениях. Если эти системы отлажены – потери минимальны, гибкость настроек под каждого пользователя – все это приведет к снижению тарифов, интересу страховых компаний и т.п. …
Медицина – дистанционное наблюдение за пациентами. В отделе функциональной диагностики МОНИКИ планируется развернуть систему наблюдения за пациентами. Пациентам в больнице надевают датчики – в виде браслета – для измерения давления, температуры, сердечной деятельности. Они передают данные на центральный сервер, где лечащий врач может получить информацию о состоянии пациента – через XBee-регистратор. Возможно предоставление услуг платного медицинского наблюдения для некоторых категорий пациентов, например на дому. В этом случае комплект РСС устанавливается таким образом, чтобы шлюз, выданный пациенту, был связан с сервером хранения данных. Пациент может перемещаться, оставаясь в радиусе доступа центральной точки сбора данных. Тогда в случае критически опасного состояния пациента тревожный сигнал уходит на центральный сервер, обрабатывается и выдается сигнал тревоги специалистам, выводятся полные данные о пациенте для принятия лечащим врачом решений о необходимых действиях.
Совместно с Росатомом начали проработку вопроса радиационного мониторинга ядерно-опасных объектов. Производятся исследования возможности, перспективы и проблемы использования РСС для системы мониторинга состояния помещений зданий действующих исследовательских ядерных установок (ИЯУ) и других ядерно-опасных объектов. Была развернута РСС в части помещений зданий ИЯУ НИИАР в г. Димитровграде и проводилось исследование поведения системы в реальных условиях. Также были исследованы проблемы надёжности системы при воздействии повышенного радиационного фона, проблемы распространения радиосигнала, используемого для связи узлов РСС при наличии препятствий в виде конструкций из «тяжёлого» бетона, используемого при сооружении зданий радиационно- и ядерно-опасных объектов.
В «РЖД» разрабатываем систему по контролю температуры колесной пары. С использованием РСС эту задачу возможно решить более дешевым и надежным способом, чем это решается сейчас, когда температура измеряется дискретно при проезде электропоезда мимо пункта сбора данных КТСМ. Опытная зона, как планируется, будет развернута в депо «Куровская» на составе пригородного электропоезда. При движении машинист сможет иметь информацию о температуре колесной пары в реальном времени. Также будет возможно хранить собранные данные в центральной базе данных, к которой будет иметь доступ дежурный по станции, мимо которой проезжает данный электропоезд.
В строительстве к нашим системам есть интерес – мониторинг осадок и отклонений зданий и сооружений. Потенциальный Заказчик – «Росстрой». Уже в ближайшее время предполагается создание распределённой системы мониторинга зданий и сооружений на основе РСС для контроля величин осадок, отклонений от вертикали и раскрытия трещин в зоне строительства двух существующих в МО котлованов в реальном времени с выводом данных на центральный сервер и с публикацией в WEB.
Логистика – контроль за перемещением грузов. Для логистических автоматизиро-ванных комплексов возможна организация сбора данных о маршрутах перемещения радиоустройств с уникальным идентификатором между складскими помещениями и внутри их с позиционированием относительно точек сбора данных и хранением информации на центральном сервере. В рамках этого направления при массовом распространении сенсорных технологий мы можем формировать также информацию о потоках распространения товаров, управлении маркетинговыми инициативами и т.п.
Все внедренческие проекты сейчас не перечислишь. Еще раз отмечу – спектр применения сенсорных сетей очень широк … Мы сегодня охватили не менее 20 раз-личных направлений и работа в этом направлении все время идет. На подходе решения для МЧС, шахтеров, промышленных предприятий, системы образования …
─ Значит, вы на базе нашего лазерного института разрабатываете российский вариант оборудования для сенсорных сетей?
─ ИПЛИТ РАН с сенсорными сетями работает в плане разработки и исследования их различных свойств. Так как чипы все разрабатываются в Америке, а изготавливаются в Китае – мы ограничены в России той микропроцессорной базой, которую можем купить. Ну или, как вариант, в карманах вывезти из-за рубежа. Пока другого варианта нет. А исследуем мы сети в плане того, как сделать их максимально долго работоспособными, или как добиться, чтобы гарантировано надежно сигнал проходил по сетям, и как сделать максимально быстрым путь прохождения пакетов с данными по ним. Синергия от такого партнерства весьма перспективна.
─ Российская наука сильно отстала в этой области от своих зарубежных кол-лег?
─ В коммерциализации и в практических разработках нам еще очень далеко до того потенциала, который есть уже в научных центрах Японии, ЕС и США. В научном же плане сейчас в России сформирована достаточно сильная школа со своими уникальными разработками. Сегодня мы даже публикуем результаты в ведущих международных научных журналах – прогресс есть. Сейчас главное найти массовый дешевый и «правильный " движок и это будет прорыв в технологии. Например, все бытовые приборы можно начать оснащать такими элементами сенсорной сети – внутри пылесосов, стиральных машин, телевизоров и т.п. развертывать сенсорные сети с температурными датчиками, настроенными на 300–400 градусов … Сенсоры, расставленные в бытовых устройствах по жилым квартирам, сообщат по сети в центр о пожаре в кладовке той или иной квартиры гораздо раньше самого жителя квартиры … (особенно когда его нет дома). Можно поставить датчик в телевизор или музыкальный центр и во время чрезвычайной ситуации это устройство будет использоваться для информирования о ЧП. И информация эта будет адресной – каждый чип же имеет свой МАК-адрес в сети, его связь с другими чипами и шлюзами для сбора и обработки данных практически определяют его местонахождение. В массовом производстве эти элементы сети должны стоить копейки и выполнять свои функции как "умная пыль».
─ В общем, ваша цель довести эту технологию до потребительского совершенства…
─ Да – придумать к ней всю инфраструктуру, программное обеспечение, датчики и, конечно, сами чипы, которые относятся к категории критических технологий и купить лицензию на их производство невозможно. А если мы разработаем всю линейку – и интерфейсы и разные датчики и алгоритмы обмена данными – то сможем производить полноценные готовые системы контроля и мониторинга, выходить на рынок, в том числе мировой и формировать услуги.
─ Расскажите, на каком этапе сейчас проект? Насколько я знаю, Вы сейчас переезжаете в Сколково…
─ Пока у нас была чистая наука. В конце прошлого года подали заявку на резидентство в фонде Сколково, получили положительное решение, вот с весны 2013 года – полноценные резиденты инновационного центра. Сколково – это возможности привлечения финансирования, развития проекта до стадии коммерциализации и достойный статус. Нам за свои деньги такое не поднять. Сегодня мы проходим этап построения прототипов решений, формируем опытные зоны, обрабатываем результаты исследований, ведем доработку, патентуем свои изобретения.
─ По плану, когда вы выйдете на этап коммерческой реализации?
─ Думаю, к концу следующего года.
─ Сколько уже вложено в проект?
─ Около 15 миллионов.
─ Долларов?
─ Нет, рублей. Теперь планируем привлечь также внешние инвестиции для продолжения работы в направлении получения коммерческого результата. В своем успехе мы уверены на 100 % .
─ Что надо сделать для создания дешевой «умной пыли»? У вас есть план, как сделать технологию не дорогой?
─ Рецепт тут только один – массовость спроса. Один чип для исследований стоит сегодня более 30 долларов, даже 100 первых чипов обходятся уже 1800 долларов, очевидно, что миллионы должны быть не дороже 1–2 долларов. Вот тогда наступит время «умной пыли».
─ Для массовости надо создать серийный завод?
─ Сначала надо создать элементную базу и аппаратную инфраструктуру технологии. Мы контактируем с российской компанией ITFY, которая нам предоставит САПР для разработки микроэлектронных компонентов. Коллеги из ITFY во главе с президентом компании Леонидом Сватковым совместно с корпорацией IBM специально для России запустила проект ITFY, который открыл «Центр электронных технологий» (ЦЭТ) – по комплексному инфраструктурному решению для коллективной разработки чипов и печатных плат на базе программно-аппаратной платформы IBM. О создании «Центра электронных технологий» (ЦЭТ) было объявлено еще на ПМЭФ-2012.
─ Какой объем производства планируется создать?
─ Сложно говорить … Технология Wi-Fi и Bluetooth сегодня есть в каждом мобильном телефоне, а выпускаются и продаются они миллионами штук. Мы ориентируемся на такое же покрытие нашей сетью. На мобильные телефоны не претендуем, а вот бытовая техника, автомобили, игрушки, приставки, компьютеры и многое другое может обеспечить желаемый охват. Чтобы проект был рентабельный, надо выходить на мировой рынок. Если сейчас грамотно запустить проект и у нас не будет проблем с финансированием, то через 5 лет сенсорные сети будут везде.
─ Почему Сколково?
─ Сколково предоставляет все условия для активного развития проектов, есть возможность получить денежные средства на НИОКР. Мы уже ведем переговоры с рядом известных венчурных фондов о возможности привлечения в проект венчурных инвестиций. В дальнейшем будем выходить на известных мировых лидеров в этой области с целью создания совместного производственного предприятия. Крупные инвесторы понимают, если существует реальный интерес и можно вложиться в перспективную технологию, то можно получить достойный коммерческий результат. В Сколково есть все возможности получения финансирования и всесторонней поддержки проекта. Поэтому обстановка там весьма доброжелательная.
─ Ясно. В Сколково Вы завершите свои научные разработки, спроектируете чи-пы, потом найдете инвестора, отштампуете чипы в Китае, сделаете софт для раз-ных задач сенсорных сетей и сформируете в итоге готовые продукты – для МЧС, пожарных и т.д.?
─ Штамповать собственные комплектующие – пока задача на будущее. Сегодня главное – это разработка различных алгоритмов работы сети, обеспечивающих решение различных технических задач, разработка протоколов обмена данными, интерфейсов, систем распределенного сбора данных, расчеты. Наши разработки применимы в любой сети утвержденного стандарта, поэтому, пока, на первом этапе, пускай штампуют все в Китае, формируют сети во всем мире, а ПО взаимодействия для выполнения поставленных задач сети используют наше. Хотя выдавать полный комплект из одних рук тоже было бы приятно и, в перспективе, я думаю, мы к этому придем.
─ И все это планируется сделать в течение ближайших двух-трех лет?
─ Да … планов у нас как раз на пару лет. Главное, конечно, финансирование. Но мы на месте не стоим … Ряд крупных венчурных фондов уже активно интересуется нашим проектом, ведь технология сенсорных сетей – одна из самых перспективных в коммерческом плане, мировой перформанс, можно сказать.
─ А кадры где берете? Их же дефицит, насколько я понимаю.
─ Инженерные высококвалифицированные кадры всегда сложно найти, мы ищем в регионах – там еще остались светлые головы и настоящие таланты. Сегодня сразу в не-скольких НИИ интересуются тематикой сенсорных сетей – с ними тоже будем работать.
─ Технологическая база – в этом лазерном НИИ?
─ Рассчитываем на взаимовыгодное партнерство с ИПЛИТ РАН … Разработчик, ведущий это направление в институте, руководитель отдела информационных технологий Игорь Воронин является и техническим директором «ЛИНТЕХ». Получается очень продуктивное партнерство. А с основным офисом для развития переезжаем в Сколково.
─ Говорят, что туда очень трудно попасть. Даже взятки нужны…
─ О возможности попасть в Сколково за деньги я лично не знаю. За последние 2 года сам активно участвовал в 3 инновационных проектах – все они сегодня резиденты фонда. Одна компания активно разрабатывает ПО, которое позволяет автоматически получать готовые 3D-модели из панорамной или сферической фотосъемки. Мы, кстати, также предложили применять сенсорные решения для существенной оптимизации этой работы. Другие проекты связаны с технологией нанесения лакокрасочного покрытия, например… Оказалось, тоже перспективная тема. Направления абсолютно разные …
Мое мнение – в Сколково создана правильная экспертная система разносторонней оценки уникальных идей и разработок. Если удалось доступно донести основные принципы своей идеи и разработка вписывается в существующие рамки инновационного центра – все, получаешь статус резидента и работай.
─ Вы хотите сказать, что в Сколково реально может попасть любой российский разработчик перспективной технологии, который имеет внятную стратегию и готовую команду для ее реализации?
─ Если у вас есть идея, которую Вы считаете гениальной и четко понимаете все шаги по ее развитию, внедрению, получению прибыли – приходите – поговорим … Я как раз берусь за такие проекты – формализую идею по международным стандартам, прорабатываю проект с инвестиционной и коммерческой точек зрения, а потом продвигаю в технопарки, бизнес-инкубаторы и инвестфонды. И это может быть не только Сколково. Задач по взаимодействию на сегодня существует очень много. Даже внутри одного кластера порой одни разработчики не знают, чем занимаются другие… а бывает, что они и есть идеальные партнеры, которые теряют огромный синергетический потенциал.
─ А что там за коррупционные скандалы были в Сколково? Прошел слух, что даже хотели похоронить весь проект…?
─ На деятельности инновационных компаний это не отразилось. Мы как работа-ли, так и продолжаем работать. Нам хватает своих впечатлений. А Сколково, несмотря на все завистливое злорадство недоброжелателей, сегодня получил второе дыхание и продолжает вести свою кропотливую работу по взращиванию отечественной инновационной индустрии…
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».
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.
← Older postАмериканские 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.