ریزحسگرهایی در ابعاد گرد و غبار به جمع آوری و ارسال اطلاعات می پردازند

در طول شب، هواپیمای نظامی با عبور از فراز منطقه جنگی،‌ “گرد” نرمی را در سراسر منطقه پخش می کند. صبح فردا به محض کوچکترین جابجایی نیروهای دشمن، این “گرد و غبار”، فعال شده و شروع به ارسال سیگنال های اطلاعاتی می کنند.

… “ذرات” ریزی که بر روی ناخن انگشتان مرد چسبانده شده اند، با محاسبه جهت، سرعت و شتاب حرکت انگشتان، به عنوان یک صفحه کلید بی سیم عمل کرده و اطلاعات نوشتاری و گرافیکی را به ریزپردازنده موجود در ساعت مچی او می فرستند.

… “پودر” بسیار نرم موجود در سرنگ، به بازوی زن تزریق می شود. ظرف کمتر از یک شبانه روز، “پودر” سیگنال هایی را به گیرنده خارجی ارسال کرده و نشان می دهد که زن تا ۱۰ سال دیگر به سرطان سینه مبتلا خواهد شد. اما خوشبختانه به دلیل تشخیص بسیار زود هنگام، می توان بیماری را سالها قبل از بروز، درمان کرد.

اینها صحنه هایی از فیلم های علمی- تخیلی هالیوودی نیستند. لااقل از این پس دیگر تخیلی نیستند؛ بلکه تنها نمونه هایی از کاربردهای بیشمار “غبار هوشمند” یا Smart Dust هستند!

کلمات غریبه، فناوری آشنا

امروزه واژه MEMS که به معنای “سیستم های الکترو مکانیکی میکرومتری” است، تبدیل به عبارتی معروف و کاربردی در فناوری برتر و تلفیقی دنیا شده است.

این فناروی برای ساخت وسایل بسیار ریز (در ابعاد میلی متری تا میکرومتری) به کار می آید.

این وسایل و ادوات کوچک، نه تنها همچون یک قطعه الکترونیکی به پردازش و انتقال اطلاعات می پردازند بلکه می توانند وظایف مکانیکی را هم بر عهده بگیرند؛ گاهی همچون ریز حسگرها، مشخصات محیط یا حرکتهای مکانیکی را ثبت می کنند و گاهی مثل روباتهای ریز، خود عامل ایجاد یا انتقال حرکت می شوند و مثلا چرخ دنده های بسیار کوچکی را به گردش در می آورند.

تحقیقات اولیه در این زمینه، در سال های آغازین دهه هفتاد قرن گذشته میلادی شروع شد و طی دو دهه بعد و با پیشرفت حیرت انگیز نانوتکنولوژی، دو واژه جدید دیگر نیز در کنار MEMS پدیدار شدند:

MOEMS یا “سیستم های میکرومتری الکترومکانیکی نوری”، نوع خاصی از MEMS است که یا به عنوان ریزحسگر، سیگنال های نوری را دریافت و پردازش می کند و یا چنین سیگنال هایی را تولید می کند و انتقال می دهد.

و NEMS یا “سیستم های الکترومکانیکی نانومتری” که قابلیت های MEMS را در ابعاد بسیار کوچکتر به کار می گیرد.

شاید تاکنون هیچ یک از این عبارات را نشنیده باشید، اما احتمالا بدون آنکه خود بدانید، در محیط کار و خانه با آنها سروکار دارید؛ ریزحسگرهای الکترومکانیکی به وفور در افشانه چاپگرهای جوهرافشان، گوشی های تلفن همراه، تجهیزات پزشکی و خصوصاً کیسه هوای اتومبیل ها و بسیاری از تجهیزات دیگر به کار گرفته شده اند.

غباری که هوشمند است

ذرات کوچکی را با ابعاد میلی متری تصور کنید که هر کدام به اندازه یک دانه ماسه هستند. اما این ذره های ریز در درون خود، دارای ساختارهای نانو، ابزارهای الکترومکانیکی و قابلیت ارسال و دریافت اطلاعات هستند.

این تصور بلندپروازانه امروز عملی شده است و دانشمندان آن را با نام “غبار هوشمند” معرفی می کنند.

عبارت غبار هوشمند را محققان برای توصیف تعداد بسیار زیادی از ریزحسگرهای ارزان قیمت برگزیده اند که پس از پراکنده شدن در محیط می توانند انواع شاخصه های محیطی، از ویژگی های شیمیایی خاک تا رایحه های موجود در هوا را شناسایی کنند.

این حسگرها می توانند دما، رطوبت، فشار، شدت نور، بو، سرعت، شتاب، جهت، ارتفاع، شیب، لرزش، و سایر پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی را بررسی و تحلیل کنند.

پروفسور کریستوفر پیستر، استاد دانشکده مهندسی الکترونیک و علوم کامپیوتر دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و مدیر مرکز حسگرها و محرک های برکلی، از سال ۱۹۹۷ تحقیق در زمینه “غبار هوشمند” را آغاز کرد.

یک سال بعد، یکی از موسسات وابسته به پنتاگون به نام آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی – دارپا – که در سالهای آغازین دهه ۱۹۷۰، پایه گذار اصلی اینترنت بود- به این پروژه علاقمند شد و با تخصیص بودجه، از پروفسور پیستر خواست تا ظرف پنج سال، ضمن عملی کردن این ایده ارزشمند، کاربردهای نظامی آنرا نیز – از جمله در زمینه نظارت و جاسوسی- گسترش دهد.

بدین ترتیب، فاز جدیدی از تحقیقات آغاز شد. طرح پروفسور پیستر عبارت بود از تولید “ذرات” کوچک و ارزان قیمت، مرکب از MEMS، مغز محاسباتی و تحلیلی، به همراه سیستم ارتباطی دوسویه و بی سیم؛ به نحوی که بتوانند با سایر “ذرات” تبادل اطلاعات کرده و در نهایت، اطلاعات پردازش شده را به یک گیرنده دستی، کامپیوتر یا حتی ماهواره ارسال کنند.

در بخش سخت افزاری پروژه، شرکت عظیم اینتل Intel و شرکت Crossbow با مرکز حسگرهای برکلی همکاری تنگاتنگی دارند.

از دیگر سو، به دلیل “هوشمندی” این “ذرات”، یک سیستم عامل بسیار ویژه نیز مورد نیاز بود که نسخه اول آن تحت عنوان TinyOS و بصورت منبع باز (اوپن سورس) در دانشکده کامپیوتر دانشگاه برکلی طراحی شد و تا کنون نسخه دوم آن نیز ارائه شده است.

نکته جالب آنکه حافظه مورد نیاز برای بارگذاری این سیستم عامل، کمتر از هشت کیلوبایت است.

عبور از موانع

با توجه به گسترش روزافزون MEMS و NEMS و نیز پیشرفت های چشمگیر نانوتکنولوژی، در زمینه ساخت “ذرات” غبار هوشمند یا Moteها مشکل فنی چندانی متصور نبوده و نیست.

به عنوان مثال، دکتر مایکل سیلر، از شیمی دانان دانشگاه کالیفرنیا در سن دیه گو، توانسته حسگرهایی به ابعاد سطح مقطع یک تار موی انسان را بسازد.

پروفسور پیستر نیز تا کنون موفق به ساخت “ذرات” یا moteهای کامل، به ابعاد یک دانه برنج شده است. اما مشکل اصلی،‌ تامین انرژی مصرفی و مورد نیاز آنهاست.

استفاده از باتری های شیمیایی معمولی و در ابعاد مناسب برای moteها، عملی نیست؛‌ چراکه در این صورت، “ذرات” به سرعت توان خود را از دست داده و از کار می افتند.

برای حل این مشکل اساسی، تاکنون روش های مختلفی در نظر گرفته شده و یا در دست بررسی هستند.

از جمله آنها می توان به استفاده از باتری های خورشیدی، اتمی، و نیز استفاده از تایمر (برای کاهش مصرف انرژی در زمان های غیر فعال)،‌ اشاره کرد.

همچنین هم اکنون در برکلی،‌ تحقیق بر روی طرحی برای استفاده از سلول سوختی در جریان است و امید می رود که تا سال ۲۰۰۸ عملی شود. این سلول های سوختی، از انرژی های محیطی، از جمله نور بسیار کم یا حتی لرزش خفیف زمین (ناشی از تردد یا کارکردن تجهیزات)، بهره جسته و آنها را به انرژی الکتریکی مورد نیاز “غبار هوشمند“، تبدیل می کنند.

مشکل دیگری که در راه توسعه “غبار هوشمند” وجود داشت، هزینه تولید آنها بود؛ چراکه برای ایجاد شبکه های متشکل از این “ذرات”، تعداد بسیار زیادی از آنها مورد نیاز هستند.

اما با پیشرفت سریع تکنولوژی و افت شدید هزینه ها، این مشکل تقریباً برطرف شده؛ آنچنانکه مایکل همیلتون از دانشگاه کالیفرنیا می گوید: “اگر بیست سال پیش می خواستیم این ذرات را بسازیم، باید برای هرکدام میلیون ها دلار هزینه می کردیم. اما اکنون هزینه هریک از آنها کمتر از یکصد دلار است و تا قبل از سال ۲۰۱۰، به کمتر از یک دلار تقلیل خواهد یافت.”

با تولید ذرات یک دلاری، فکر استفاده گسترده از غبار هوشمند در سطح صنعتی و تجاری، دیگر دور از دسترس نخواهد بود و عملی به نظر می رسد.

همچنین نباید فراموش کرد که تولید و فروش “غبار هوشمند“، بسیار سودمند و اقتصادی خواهد بود. مجله “تایم” طی گزارشی در سال ۲۰۰۴ اعلام کرد که تولید این ذرات می تواند ظرف ۱۰ سال آینده، به بازاری ۵۰ میلیارد دلاری دست یابد.

سمت تاریک و افق های روشن

اما این طرح نیز همچون هر نوآوری دیگر، منتقدانی دارد.

بسیاری از این منتقدان، نقض احتمالی حریم خصوصی افراد را بزرگترین اشکال وارد بر آن می دانند. گروهی دیگر نیز، تاثیرات زیست محیطی استفاده از “غبار هوشمند” را گوشزد می کنند.

اما پیستر در پاسخ به منتقدان می گوید: “هرکاری، از مهندسی تا آرایش موی سر، در کنار فواید خود، ممکن است نکاتی منفی نیز به همراه داشته باشد؛ با وجود این اگر احتمال می دادم که جنبه های منفی غبار هوشمند، بیشتر و یا حتی قابل قیاس با آثار مثبت آن باشد، به هیچ وجه کار بر روی این پروژه را نمی پذیرفتم.”

در هر حال، بدیهی است که پنتاگون از سرمایه گذاری بر روی این پروژه کاملاً راضی است؛ به گونه ای که بودجه بسیار بیشتری را برای ادامه تحقیقات در این زمینه اختصاص داده است.

هم اکنون از شبکه های غبار هوشمند (هرچند هنوز ابعاد ذراتشان بسیار بزرگتر از ابعاد گرد و غبار واقعی است)، در زمینه رهگیری جنگجویان طالبان در افغانستان استفاده می شود و پنتاگون از نتایج حاصل از آنها، اظهار رضایت کرده است.

اما پروفسور پیستر چشم اندازی بسیار فراتر از این را در نظر دارد. وی می گوید: “شاید به زودی بتوانیم حسگرهای حرارتی و رطوبتی ای را که در تار و پود لباس هایمان تنیده شده اند، به تن کنیم. حسگرهایی که بطور پیوسته با محیط اطراف در ارتباط بوده و شرایط را با توجه به نیازهای ما، تنظیم می کنند”.

پیستر که از سال ۲۰۰۲، مدیریت شرکت Dust Inc. را نیز در اختیار دارد، در ژانویه ۲۰۰۶ جایزه الکساندر شوارتسکف را برای عملیاتی و تجاری کردن “غبار هوشمند” دریافت کرده است.

منبع: دنیای مجازی