无所不在的黑科技!“智能微尘”正在监控你

物联网技术 发表于 2018-05-21 10:08:30 收藏 已收藏
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无所不在的黑科技!“智能微尘”正在监控你

物联网技术 发表于 2018-05-21 10:08:30

这听起来像是个让人毛骨悚然、没有任何隐私的世界。智能微尘,它简直是监控全人类的最好工具,无论走到哪里,你的一举一动都可能被记录和观察。

在未来的2060年,你坐在电动豪华车Tesla Model Z里,电车正悬浮在空中,以次音速自动前往某地。某地机器人暴动破坏基础设施,出现不少人类伤亡。 你是心急如焚的救援人员,转动手中的苹果戒指5,心想:“我要看看当地的伤员分布图。”戒指感应到你的思想,在眼前浮现出3D虚拟现实界面——这是发生机器人暴动地的鸟瞰街景,其中的红点标注着危急伤员的位置。 你在空气中滑动手指,接口立刻放大到一个最严重伤员的位置,详细显示出他的一系列生理指针、受伤的部位和预估的救援剩余时间。你心想:“我需要一个计划。”眼前的地图自动更新显示出一个路线图,指出了最佳的救援行动路径。 但你不知道,在几十年前信息化不足的时代,搜救工作从来不是如此高效率。 如何将开头的科幻变为现实?试想有一天,数据收集终端可变得如沙粒般微小,并能散布于地球的各个角落,整个地球就如同一个巨大的显示器,每个沙粒般微小的终端,就是这巨型屏幕的一个点。 在中央计算器的监控下,每一个坐标的物理量(GPS坐标、温度、湿度、速度、光强、磁场强度等)信息都尽收眼底。这些惊人的大数据,都可以被全球的中心云端服务器实时监控、追踪和分析 。 而实现这样终极信息化的处理器,正是被我们称之为“智能微尘”(Smart Dust)的极度微小、高度集成的传感器系统。 

隐私全暴露,但灾难搜救、疾病检测更准确

这听起来像是个让人毛骨悚然、没有任何隐私的世界——智能微尘,简直是监控全人类的最好工具,无论走到哪里,你的一举一动都可能被记录和观察。 但任何事都是一体两面,最坏的世界某种程度上也是最好的世界。假设地球上每一点的物理量都被动态监控,天气预报、地质勘探、地震预报、洋流检测等都将极度准确。 宇宙勘探——只需要发射一个装满智能微尘的炸弹,令其爆破后的尘埃遍布星球表面,整个地表的形貌测绘、地质勘探将轻而易举;灾难搜救——利用智能微尘使整个海洋,包括海洋中的所有物体能被清晰3D成像,搜救工作就变成一个形状模式识别的过程,只需要计算机即可定位;地质勘测也一样,如果这样的智能微尘能被注入深层地底下,那么资源检测和地震预报也都极度信息化。人类个体,也会因智能微尘而获得诸多福利——疾病检测将变得非常容易。

软硬件跃进,可望脱离科幻小说层面

智能微尘这个概念最早在1992年被提出,1990年代开始被美国国防高等研究计划署出资研究。这一概念的愿景,是由一系列具备通讯模块的微型传感器,来组成一个分布于环境中的监测网络。每一个监测处理器就是所谓的「微尘」,成千上万的微尘散播在环境中,彼此之间用自我组织方式构成无线网络,来收集环境数据(温度、气压等)。收集到的数据则透过「微尘」的通讯模块,传向终端的计算机(或云端服务器)来分析和处理。 如果要实现这个总体的微尘网络,单个的微尘必须具备这几个功能模块:传感器模块,用于采集环境数据;通讯模块,用于无线传输数据;电源模块,用于供电和自充电;微处理器模块,用于控制和调度所有的模块。 如果将要监测环境变量的区域,想象成人类的皮肤,那么可以将每个智能微尘,想象成人类的单个触觉神经元。神经元能收集触觉讯号,同时也能相互连接成网络来传递这些讯号。外界的刺激在神经元之间相互传递,最终被传向大脑,由大脑来分析处理触觉讯号,得到触觉的意识。 一个智能微尘网络也有非常相似的架构:被进行环境变量采集的区域,就好比是人的皮肤;而每个智能微尘,就好比是每个神经元;中央云端服务器就好比是人的大脑。数据由微尘采集并传输,直至最终到达云端服务器。 近几年很红的名词叫物联网,目标是把常见的设备都连入互联网。拿家用设备来说,电灯、冰箱、门窗、空调等全部智慧化,连入互联网,让家居信息化和可自动控制化。而智能微尘的网络(Internet of Smart dust),可被视为一种终极的物联网。 要实现这个微尘传感器网络的宏图,核心技术还是制作出单个微尘。这实际上是一个「麻雀虽小,五脏俱全」的微型计算机处理器。前面提到了必须具备传感器、通讯、电源、微处理器四大模块。而这些所有的模块加在一起,要达到灰尘的尺寸,也就是几十微米。这其中的难度可想而知。 加州大学柏克莱分校的教授,在2000年提出智能微尘的概念。基于当时的技术水准,这个所谓的「微尘」体积定位有5立方毫米之大,距离「微尘」还有很大的差距。 要做出我们目标中的微尘,5立方毫米是远远不够的。还需要进一步微小化,让整个系统的尺寸达到微米的级别,也就是再缩小至将近千分之一。这真是一个知易行难的事情——按照如今每两年面积缩小一半来计算,实现这个尺寸需要20年的时间。 当然,低功耗和微尺寸只是指做出单个原型微尘要达到的目标。要实现工业化大量生产智能微尘,让它们能真正分布于我们的环境中,还需要满足更为苛刻的工业化生产条件,这包括低生产成本、稳定性良好、抗环境干扰、工作寿命长等条件。 因为这些苛刻的条件,导致在其概念提出20年后的今天,智能微尘仍停留在理论阶段。但随着近年半导体技术、传感器技术、大数据和云端运算的飞速发展,这项理论逐渐有可能脱离科幻小说层面。

节点数庞大,仰赖网络技术与超级大数据

当智能微尘的硬件实践成为可能,软件方面的数据处理,也将面临极大的挑战。智能微尘不仅每个处理器体积极小,网络的节点数目也十分庞大。这对控制软件、网络技术和数据处理都产生更高的要求。 从网络技术来讲,智能微尘基于一种分布式的网络,这样的分布式网络有什么好处?首先这对于单个传感器来讲,是一种低功耗的工作模式——数据只需要传向近距离的相邻节点,而不是远程的基地台服务器;其次,这种分布式网络的可靠性也更强——对整个网络来讲,没有任何一个节点是不可或缺的,这样即便有一些节点电源耗尽或损坏,整个网络仍能正常运作,只是少采集几个数据点而已;最后,这样的网络也不需要精心设计,而是以一种「自我组织」的方式自动连接。 当然,这样的网络,还要在通讯协议和数据传输模式上精心设计,以保证低功耗的要求,而且数据传输在此基础上,有最少的重码率和误码率。这不但需要研究能适应如此大规模网络的数据传输算法,而且还需要制定新的标准,保证不同的智能微尘系统能被连接在一起。 如果解决了互联网的难题,我们就能透过云端服务器,来收集智能微尘网络采集的数据。这样新的难题又来了。如今的移动终端仅限于个人计算机、平板计算机和手机,即便这样,我们已需要面对海量的数据整理、储存和分析,也就是现在的热门话题——大数据。 当我们制作智能微尘网络后,网络节点数目一下增加了好几倍,每个节点又会全天候不间断采集环境物理量,这样我们面对的,不仅是大数据,而是超级大数据。因为数据量将随着数据终端的数目,呈现超大规模的增长。这么大的数据量,我们现有的云端运算能应对吗?如何处理这么大规模的数据?这些都将是棘手的难题。

未来应用,气象预报、外星探测都派上用场

在现阶段的技术水准,物联网和可穿戴产品初露头角。而智能微尘,其实可以看作是终极的物联网。智能微尘是下一代的超级物联网的数据采集终端。它所带来的未来,使得这个概念成为下一代技术中,一颗耀眼的明珠。 这种微尘传感器网络,能被用于气象预报、地质检测、灾难救援、无人监控、医疗应用、外星探测及军事情报收集等领域。但想实现这项愿景,却面临诸多困难的课题:它需要微处理器、通讯模块、传感器模块、电源模块的高度单片集成,先进的高密度电池技术和自充电技术,以及新的网络传输技术和大数据技术等。 想实现智能微尘,需要整个工业界的推动和进步,不是一两个创新就能达成,也不是一朝一夕的事。

回顾人类科技走过的一百年,有谁能在计算机刚诞生时,预见如今集成度如此高的智能机系统、可穿戴设备和物联网系统?又有谁能预见如今的互联网技术和大数据技术?

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