ديسمبر 3, 2022

ما هو الغبار الذكي وكيف يتم استخدامه؟/بقلم:مركز نانو فيرك

ترجمة محمد عبد الكريم يوسف

تخيل وجود سحابة من أجهزة الاستشعار ، بحجم حبة الرمل أو أصغر ، تتطاير عالياً بفعل رياح الأعاصير وتنقل البيانات حول العاصفة إلى محطات الطقس الموجودة في الأسفل. 

تخيل شبكة استشعار غير مرئية مدمجة في طرق المدينة الذكية لمراقبة حركة المرور وتلف سطح الطريق وتحديد أماكن وقوف السيارات المتاحة – كل ذلك في الوقت المحدد الفعلي وعلى مدار الساعة، أو المليارات من أجهزة الاستشعار النانوية الموزعة على الغابات ومناطق أخرى بها مخاطر حريق لاكتشاف الحريق في بدايته. 

تخيل غبارًا ذكيًا قابلًا للبرمجة يطلق إشارة إنذار عند اكتشاف شقوق صغيرة غير مرئية في شفرة التوربينات الغازية أو المائية.

يشير الغبار الذكي إلى الشبكات اللاسلكية لمنصات الحوسبة والاستشعار المستقلة التي لا يزيد حجمها عن حبة رمل. يستشعر الغبار الذكي البيانات المتعلقة ببيئته ويسجلها مثل الضوء ودرجة الحرارة والصوت ووجود السموم أو الاهتزازات ، وينقل هذه البيانات لاسلكيًا إلى أنظمة الكمبيوتر الأكبر حجمًا.

الغبار الذكي هو رؤية للمستقبل الشبكي حيث تشعر باستمرار شبكات ذكية من تريليونات من أجهزة الاستشعار الصغيرة ، وتتذوق ، وتشم ، وترى ، وتسمع ما يحدث في البيئة المحيطة بها ، وتتواصل مع بعضها البعض وتتبادل المعلومات. شبكات الغبار الذكية هي أجهزة إنترنت الأشياء النهائية.

يعتبر الغبار الذكي ثوريًا لأن المستشعرات صغيرة بما يكفي لوضعها في أي مكان ، حتى في المناطق الضيقة والصعبة. ولها ميزة كبيرة أخرى هي أن هذه الأجهزة تعمل دون أي تدخل بشري لأنها مبرمجة مسبقا ، وبغض النظر عن حجمها الصغير ، فإنها تمتلك مصدر طاقة خاص بها ولا تحتاج الشحن من مصادر الطاقة .

من المتوقع ألا تراقب هذه التقنية ضوابط البناء وخطوط الأنابيب ومعدات المصانع وعمليات صنع الأدوية فحسب ، بل ستؤدي أيضًا إلى حوسبة الذكاء الاصطناعي المستقلة في كل مكان بالقرب من المستخدم النهائي ، مثل المصادقة والإجراءات الطبية ومراقبة الرعاية الصحية والاستشعار والتتبع والمراقبة الصناعية وسلسلة التوريد والدفاع.

على الرغم من أن أجهزة الغبار الذكية ليست في حجم الغبار تمامًا ، يأمل الباحثون في تقليص هذه الأجهزة إلى حجم ذرة من الغبار عبر تقنية النانو .

وحتى تكون مجدية اقتصاديًا ، يجب أن تكون هذه الأجهزة ذات الاستخدام الواحد رخيصة (نحن نتحدث عن البنسات أو حتى كسور من فلس واحد) ، حتى أرخص من علامات تحديد التردد اللاسلكي المستخدمة حاليًا لتتبع مخزون المستودعات ، على سبيل المثال وليس الحصر.

كيف يعمل الغبار الذكي وماذا يفعل؟

تحتوي شبكات الغبار الذكية على عقد (تسمى “موتات”) تجمع بين قدرات الاستشعار والحوسبة والاتصال اللاسلكي وإمدادات الطاقة الذاتية في حزمة صغيرة بحجم بضعة ملليمترات مكعبة أو حتى أقل.

يعتمد الغبار الذكي على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة  . تتكون النظم الكهروميكانيكية الصغرى من أي مجموعة من المكونات الميكانيكية (الروافع ، والينابيع ، والأغشية ، وما إلى ذلك) والكهربائية (المقاومات ، والمكثفات ، والمحثات ، وما إلى ذلك) لتعمل كمستشعرات أو مشغلات. في المستقبل ، مع تقدم تقنيات التصنيع ، سوف يتقلص هذا الحجم بشكل أكبر إلى المكونات النانوية – أو ما يسمى الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية.

يتم تصنيع الموتات باستخدام تقنيات تصنيع السيليكون الدقيقة التقليدية ويمكن أن تظل معلقة في بيئة مشابهة للغبار )ومن هنا جاءت تسميتها(.

يمكن ترك كل ذرة دون رقابة لجمع البيانات البيئية مثل الضوء ودرجة الحرارة والضغط و الاهتزازات ووجود السموم وما إلى ذلك ، ونقل هذه البيانات لاسلكيا إلى أنظمة كمبيوتر أكبر وبعيدة – أو غرفة عمليات ، اعتمادا على قوة الحوسبة الخاصة بالذرة مباشرة من نقطة جمع البيانات.

على سبيل المثال ، في بيئة صناعية ، تقوم مستشعرات الغبار الذكية بترحيل الإشارات مرة أخرى إلى كمبيوتر يصدر أوامر ، والذي يقوم بعد ذلك بتجميع البيانات لتقديم ملاحظات لمديري المصنع. أو يمكن أن تؤدي النتائج إلى استجابة تلقائية ، مثل خفض درجة حرارة المبنى أو تقليل تدفق المياه.

مثال آخر هو برنامج شيلد التابع لداربا الذي يخطط لاستخدام الرقائق الدقيقة لتتبع ومصادقة سلسلة التوريد الخاصة بشرائح الكمبيوتر لتطبيقات الدفاع. الهدف هو القضاء على الدوائر المتكاملة المزيفة من سلسلة توريد الإلكترونيات عن طريق جعل التزييف معقدا للغاية ويستغرق وقتًا طويلاً ليكون فعالاً من حيث التكلفة. تهدف شيلد إلى الجمع بين التشفير على مستوى إن إس إي ، وأجهزة الاستشعار ، وقوة المجال القريب والاتصالات في شريحة صغيرة يمكن إدخالها في عبوة دائرة متكاملة.

أصل مفهوم الغبار الذكي

ابتكر “الغبار الذكي” لأول مرة في التسعينيات من القرن العشرين من قبل الدكتور كريس بيستر عندما كان أستاذا للهندسة الكهربائية في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، كطريقة بسيطة لنشر أجهزة استشعار لاسلكية ذكية.

في ذلك الوقت ، تخيل بيستر عالما تستطيع فيه أجهزة الاستشعار في كل مكان قياس كل شيء يمكن قياسه. على الفور ، فكر في التطبيقات البيئية مثل تتبع الطقس ( اقرأ بحثه المفاهيمي في عام ألفين بعنوان: التحديات الناشئة: شبكات المحمول و “الغبار الذكي.” )

لكن ليس من المفاجئ أن يكون الجيش هو الذي أعطى الزخم والتمويل لتطوير الغبار الذكي. في عام ٢٠٠٠ ، مولت داربا بحث بيستر في مشروع سمارت الغبار بي دي إف (يمكنك قراءة الاقتراح الأصلي هنا بصيغة  (.

يتلخص لمشروع الغبار الذكي التابع لداربا بما يلي: يتم تسليم الآلاف من عقد الاستشعار التي تغطي كيلومترات مربعة بواسطة مروحية مستقلة. إنهم يتتبعون حركة المركبات لساعات / أيام ، ويبلغون بالمعلومات المتراكبة على الفيديو المباشر عند استجوابهم بواسطة جهاز استقبال محمول باليد أو جهاز استقبال محمول بالهليكوبتر.

مكونات ذرة الغبار الذكية

بشكل أساسي ، تتكون كل ذرة من أربع فئات للأجهزة: المستشعرات والدوائر والاتصالات ومصدر الطاقة. في عقدة المستشعر اللاسلكي ، سيبدو هذا من الناحية النظرية كما يلي:

مثال لتصميم نظام عقدة مستشعر لاسلكي. وهو يتألف من حزمة مكعب وظيفية مطبوعة ثلاثية الأبعاد تحتوي على العديد من أجهزة استشعار الطباعة بنفث الحبر والهوائي. كما تم طباعة لوحة الدوائر ثلاثية الأبعاد وتحتوي على الإلكترونيات الدقيقة المرفقة في العبوة.

تحتوي الحزمة بأكملها على واحد أو أكثر من مستشعرات ميمز أو نيمز لأداء غرض الاستشعار الرئيسي للذرة وهو اكتشاف وقياس أشياء مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة والضغط والصوت والضوء والمجال المغناطيسي وما إلى ذلك. دوائر (متحكم دقيق) للتفاعل مع المستشعرات والعملية وتخزين البيانات. يشتمل الاتصال بشكل مثالي على جهاز إرسال وهوائي ثلاثي الأبعاد يضمن إشعاعًا متساويًا في جميع الاتجاهات ، مما يتيح الاتصال غير الحساس للتوجيه. يمكن أن يكون مصدر الطاقة لكامل الذيل ، اعتمادًا على منطقة التشغيل ، عبارة عن مجموعة خلايا شمسية أو شكل من أشكال البطاريات الرقيقة أو المكثفات الفائقة.

على الرغم من أن أبعاد المكعب في المثال أعلاه هي 21 مم على كل جانب ، إلا أنه يوضح المفهوم الأساسي وبنية المكونات لذرة الغبار الذكية. سيؤدي التصغير الذي لا مفر منه في النهاية إلى مقياس دون ميكرون لهذه الأجهزة.

أظهر الباحثون أهدافًا متعددة العدسات تعمل بكامل طاقتها بأحجام حوالي 100 ميكرون ، تقريبًا بحجم حبة الملح ، والتي يمكن أن تؤدي إلى ذرات غبار ذكية ذات رؤية مستقلة. تُظهر العدسات أداءً غير مسبوق وجودة بصرية عالية بدقة تصل إلى ٥٠٠ زوج خط لكل مليمتر لتطبيقات التصوير.

مزود طاقة بحجم الغبار

تعد أجهزة تخزين الطاقة الأصغر حجمًا في نطاق المليمترات حتى للمكونات الإلكترونية الدقيقة الأصغر تحديًا تقنيًا كبيرًا. ومع ذلك ، تمكن الباحثون من تقليل حجمها باستمرار ، كما يوضح هذا المثال لمكثف فائق النانو – إنه بحجم ذرة من الغبار ولكنه يحزم جهد بطارية AAA:

يحتوي كل من المكثفات الفائقة الأنبوبية البالغ عددها ٩٠ على طرف الإصبع على حجم ١ نانوليتر فقط (0.001 مم 3 ) ولكنه يوفر جهد إمداد يصل إلى 1.6 فولت.

الغبار العصبي الذكي: 

منح ، هذا التطبيق بعدا أبعد قليلاً ، لكن الباحثين عملوا عليه بنشاط. ومرة أخرى ، يقود الجيش هذا من خلال برنامج الوصفات الكهربائية (الكتركس) التابع لداربا .

طور الباحثون جهازًا لاسلكيًا آمنًا بحجم ملليمتر صغير بما يكفي ليتم زرعه في الأعصاب الفردية ، قادرًا على اكتشاف النشاط الكهربائي للأعصاب والعضلات في أعماق الجسم ، ويستخدم الموجات فوق الصوتية لاقتران الطاقة والتواصل. يسمون هذه الأجهزة بالغبار العصبي

 .يتكون كل مستشعر غبار عصبي من ثلاثة أجزاء رئيسية فقط: زوج من الأقطاب الكهربائية لقياس الإشارات العصبية ، وترانزستور مخصص لتضخيم الإشارة ، وبلورة كهرضغطية تخدم الغرض المزدوج المتمثل في تحويل الطاقة الميكانيكية للموجات فوق الصوتية المولدة خارجيًا إلى طاقة كهربائية وتوصيل نشاط العصب المسجل.

وعلى الرغم من عدم الاتصال بالشبكات بعد ، فقد أظهر الباحثون بالفعل جدوى إدخال شرائح الكمبيوتر في الخلايا الفردية . لكن يمكنك أن تتخيل إلى أين يمكن أن يذهب هذا … (أعزائي منظري المؤامرة: من فضلكم لا ترسلوا لنا تعليقاتكم!).

الوضع الحالي والتحديات

تتمثل التحديات الرئيسية التي واجهها الباحثون في نقص الطاقة الكافية على المساحة الصغيرة وصعوبات دمج أنظمة الطاقة في هذه الأجهزة عالية التحجيم. نظرًا لأن كثافة تخزين تقنيات البطاريات لم تتبع اتجاهات مقياس قانون مور ، تحتاج أنظمة إنترنت الأشياء إلى الاعتماد على تحويل الطاقة من مصادر خارجية مثل الموجات الحرارية أو الاهتزازية أو الضوئية أو الراديوية.

مع تطور تقنيات الإلكترونيات النانوية والتعبئة والتغليف ، قد يكون الآن هو الوقت المناسب لبدء إعادة التفكير في حلول هذه المشكلات والتقدم نحو أنظمة كمبيوتر صغيرة أكثر قوة مما تم اقتراحه في الأصل.

القدرة على دمج العديد من الشرائح الكهروضوئية النانوية – مثل المعالج ، والذاكرة ، والخلايا الكهروضوئية – في عملية تغليف على مستوى الرقاقة على نطاق صناعي ، مما يخلق غبارا ذكيا يعمل بالطاقة الشمسية ، يفتح إمكانات التصنيع على نطاق واسع لهذه الأنظمة المدمجة مع أداء عالي وتكلفة منخفضة للغاية.

تطبيقات الغبار الذكي

تجعل المجموعة الواسعة من تطبيقات الغبار الذكية من المستحيل تقديم أوصاف مفصلة في مقال واحد فقط. لذلك نقوم فقط بإدراج بعض المجالات الرئيسية أدناه:



  • الزراعة : المراقبة المستمرة للاحتياجات الغذائية للمحصول والري والتسميد ومكافحة الآفات. يمكن أن تساعد هذه المعلومات القيمة في زيادة كمية وجودة المحصول. ويمكنه أيضًا تسجيل ظروف التربة مثل الأس الهيدروجيني والخصوبة والإصابة بالميكروبات ، أي المعلومات الحيوية لنمو النبات.

  الصناعات : الفحص المستمر للمعدات الأساسية ، والحث على اتخاذ إجراءات بشأن صيانتها. يمكن أن يؤدي تقييم الحالة الدقيقة للآلات وضعفها وتآكلها إلى منع حدوث فشل كامل في النظام.

  البيئة : الرصد البيئي الكيميائي والبيولوجي لقضايا الصحة والسلامة (الماء والهواء والتربة). على سبيل المثال ، يمكن للغبار الذكي الخاص بالبلازما فحص التفاعلات الكيميائية المحلية .

البنية التحتية الحضرية : ستصبح مراقبة المباني والطرق والجسور والأنفاق وأنابيب المياه والصرف الصحي وشبكات الكهرباء والاتصالات جزءا من المفهوم العام للمدينة الذكية . على سبيل المثال ، يمكن بالفعل دمج الغبار الذكي في الخرسانة أثناء البناء وقراءة حالة البناء على مدى عقود من الزمن.

  إدارة المخزون : سيضمن تتبع المنتجات من مصانعها إلى رفوف البيع بالتجزئة عبر مرفق النقل (وقنوات الشحن إلى الشاحنات) وتحقيق رقابة صارمة على المخزون.

  التشخيصات الطبية : انظر الغبار الذكي العصبي أعلاه

قطاع النقل : يقوم الغبار الذكي بنقل البضائع القابلة للتلف حيث تتطلب هذه المواد مراقبة مستمرة. أثناء نقل البضائع القابلة للتلف ، يجب مراقبة معايير معينة مثل درجة الحرارة والرطوبة والتهوية بشكل مستمر. وبالمثل ، يساعد الغبار الذكي في مراقبة صحة الحيوانات والتحكم في الظروف الضرورية مثل درجة الحرارة والهواء والرطوبة من أجل النقل الآمن.

التطبيقات العسكرية : تساعد في الوصول إلى الأنشطة في المناطق النائية أو التي يتعذر الوصول إليها. يمكنه أيضًا تحديد وجود غازات سامة أو مواد ضارة والمساعدة في اتخاذ الإجراءات اللازمة.  بالإضافة إلى شبكات استشعار ساحة المعركة.

استكشاف الفضاء : الطقس ورصد الزلازل على الكواكب والأقمار في النظام الشمسي. يستكشف العلماء أيضًا نوعا جديدا تماما من التلسكوبات الفضائية بفتحة مصنوعة من أسراب من الجسيمات المنبعثة من علبة ويتم التحكم فيها بواسطة الليزر. يمول برنامج المفاهيم المتقدمة المبتكرة التابع لوكالة ناسا المرحلة الثانية من مشروع “قوس قزح المداري” الذي يحاول الجمع بين البصريات الفضائية والغبار الذكي ، أو تقنية النظام الآلي المستقل.

مخاطر ومخاوف الغبار الذكية

من شأن تبني الغبار الذكي على نطاق واسع أن يجلب معه المخاطر:

الخصوصية : كثير من الذين لديهم تحفظات حول الآثار الواقعية للغبار الذكي قلقون بشأن قضايا الخصوصية. ستصبح أجهزة الغبار الذكية صغيرة جدا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة ، وبالتالي يصعب للغاية اكتشافها. يمكن برمجتها لتسجيل كل ما تستطيع أجهزة الاستشعار الخاصة به (ومن المفارقات أن الناس قد بدأوا طواعية في حمل الأجهزة التي من شأنها أن تحقق ذلك بالضبط). ربما لن تعرف من يقوم بجمع البيانات وماذا يفعلون بها. يمكن لمخيلتك أن تصبح جامحة فيما يتعلق بالآثار السلبية على الخصوصية عندما يقع الغبار الذكي في الأيدي الخطأ.

السيطرة : بمجرد نشر المليارات من أجهزة الغبار الذكية في منطقة ما ، سيكون من الصعب استردادها أو التقاطها إذا لزم الأمر. نظرًا لصغر حجمها ، سيكون من الصعب اكتشافها إذا لم تكن على دراية بوجودها. إن حجم الغبار الذكي الذي يمكن أن يستخدمه فرد أو شركة أو حكومة مارقة لإلحاق الأذى سيجعل من الصعب على السلطات السيطرة عليها إذا لزم الأمر.

التكلفة : كما هو الحال مع أي تقنية جديدة ، فإن تكلفة تنفيذ نظام غبار ذكي يتضمن الأقمار الصناعية والعناصر الأخرى المطلوبة للتنفيذ الكامل مرتفعة.  و حتى تنخفض التكاليف ، ستكون التكنولوجيا قد صارت بعيدة المنال بالنسبة للكثيرين.

التلوث: تعد محركات الغبار الذكية في الأساس أجهزة تستخدم لمرة واحدة. ما لم تكن قابلة للتحلل بشكل كامل ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كانت ستلوث المناطق التي تستخدم فيها (التربة ، الهواء ، الماء).

الصحة : بمجرد أن تتقلص جزيئات الغبار الذكية إلى المقياس النانوي ، فإن ملف المخاطر الخاص بها يتطابق مع الجسيمات النانوية بشكل عام والمخاطر الصحية المحتملة المرتبطة باستنشاقها أو تناولها.

القضايا القانونية : لا يؤدي الافتقار إلى حماية المعلومات التي تم إنشاؤها بواسطة شبكات الغبار الذكية إلى خلق مخاوف تتعلق بالخصوصية فحسب ، بل يمكن الوصول إلى الشبكة دون إذن (أي اختراق) من قبل أطراف ثالثة و يمكن استخدام معلوماتها لأغراض غير قانونية.

المصدر:
Smart dust and its uses, SmartWorlder

حقوق نشر محتويات هذا الموقع © 2005-2022 Nanowerk. كل الحقوق محفوظة.

عن محمد صوالحة

من مواليد ديرعلا ( الصوالحة) صدر له : كتاب مذكرات مجنون في مدن مجنونة عام 2018 كتاب كلمات مبتورة عام 2019 مؤسس ورئيس تحرير موقع آفاق حرة الثقافي .

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

error: Content is protected !!
%d مدونون معجبون بهذه: