Нейронная пыль — армия роботов в вашем мозгу

Создан новый интерфейс мозг-компьютер, имеющий рекордно высокие показатели

• 68
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 1)

Идея использования интерфейсов мозг-компьютер BCI- интерфейсов для предоставления парализованным людям возможности общения с внешним миром, уже давно не является новостью. Однако, все, что было создано ранее в этом направлении, имело ограниченные функциональные возможности, очень низкое качество работы и низкое быстродействие, которых явно не хватает для организации более-менее нормального общения с человеком.

И стэнфордским исследователям удалось при помощи самых современных технологий создать новый тип BCI-интерфейса, обеспечивающего рекордную на сегодняшний день точность работы и скорость, с которой человек может использовать функции этого интерфейса.

Стэнфордские ученые использовали трех людей-добровольцев, полностью парализованных в результате болезни Герига или травмы спинного мозга. В мозг каждого из них были имплантированы крошечные чипы, содержащие матрицы тончайших электродов. Эти электроды находились в контакте с нервными тканями участка коры головного мозга, отвечающего за движения конечностей и координацию этих движений. И через непродолжительное время самый результативный из добровольцев, Деннис Дегрей (Dennis Degray), смог печатать «силой мысли» со скоростью 39 символов, в среднем восемь слов, в минуту, что сопоставимо со скоростью набора текста СМС на мобильном телефоне без использования средств, обеспечивающих дополнительные удобства и функции.

В создании нового BCI-интерфейса ученые использовали последнее поколение системы под названием BrainGate Neural Interface System. Крошечный кремниевый чип этой системы помещается хирургическим образом на поверхность мозга пациента. 100 электродов этого чипа проникают внутрь тканей мозга, за счет чего они могут детектировать сигналы от отдельных нейронов, а не групп нейронов, как это могли делать системы предыдущих поколений.

И в заключении следует отметить, что данный случай является первым разом, когда чип последнего варианта системы BrainGate был имплантирован в мозг пациента. А стэнфордские ученые прогнозируют, что прошедший все испытания вариант системы BrainGate, функциональные возможности которого будут намного шире возможностей нынешнего варианта, сможет появиться лет, этак, через пять, и его сразу можно будет использовать на практике для предоставления парализованным людям возможности общения с другими людьми.

Илон Маск: мы стоим перед выбором – превратиться в киборгов или в «домашних питомцев» для роботов

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 0)

14-08-2016

Россия может первой узаконить роботов

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 0)

Дмитрий Гришин

Основатель Grishin Robotics

Источник: https://news.mail.ru/society/28137003/

-----------------------------------------------------------------

Поддержка сайта Protivkart.org

Ученые соберут человека из чипов

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 0)

Клеточный биочип

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 0)

Клеточный биочип

Группа учёных из американской национальной лаборатории Беркли и университета Калифорнии продемонстрировала первый в мире прибор, являющийся "клеточным" аналогом известных ДНК-чипов, применяющихся в генетических исследованиях.

О том, что такое ДНК-чипы, как они работают и как их изготовляют - мы подробно рассказывали в этом материале. Напомним, эти чипы представляют собой результат скрещивания "микросхемных" технологий (в частности фотолитографии) с приёмами биохимического исследования, пишет sunhome.ru

Теперь учёные решили, что аналогичный чип можно создать и для целых живых клеток. Правда, для этого им пришлось решить задачу присоединения клеток к небиологическим поверхностям.

Как пишут авторы работы в своём пресс-релизе, большинство клеток сами по себе "липкие" и охотно присоединяются к едва ли не любой поверхности. Но не все клетки таковы, некоторые - совершенно не липнут ни к чему.

А ведь учёным ещё нужно было добиться, чтобы на определённые участки чипа налипали (из раствора) клетки лишь строго определённого типа.

Обе задачи (прилипание вообще и прилипание избирательное) в Беркли решили при помощи следующих вещей.

Исследуемый препарат обрабатывали при помощи ряда реактивов так, что к поверхности нужных клеток присоединялись одиночные спирали ДНК (со строго определённой последовательностью букв-оснований). После обработки каждая клетка была покрыта 270 тысячами молекул ДНК. Кстати, такое присоединение было осуществлено впервые.

Таким образом, на поверхности клеток создавались уникальные застёжки-липучки.

Ответные части ДНК (также одиночные спирали), подходящие к первым как ключи к замкам, исследователи разместили на поверхности золотой пластины, которую встроили в микрожидкостный чип.

Пропуская через него раствор, авторы убедились, что только нужные им клетки задерживались на пластине, а остальные уносились потоком. Определить тип клеток теперь можно было простым просмотром чипа - по появившемуся рисунку. Ведь клетки занимали свои позиции, соответствующие коду "ДНК-липучки".

Сейчас команда намерена развить технику для быстрого и массового производства таких чипов. Они могут служить биодатчиками опасных или загрязняющих среду веществ, или, к примеру, пригодятся фармацевтическим компаниями при испытании новых препаратов.

03-04-2016

Наночастицы, разогретые магнитным полем, могут заменить обычные мозговые имплантаты

с электродами и внешними источниками питания.

Многие слышали про методы транскраниальной стимуляции мозга, когда на ту или иную зону коры полушарий без какого-либо хирургического вмешательства воздействуют магнитным полем или слабым электрическим током. В прошлом году в Science была опубликована статья, где говорилось, что с помощью внешнего магнитного поля можно улучшить память, а в 2013 году исследователи из Университета Бен-Гуриона сумели с его помощью избавить нескольких курильщиков от их вредной привычки – по крайней мере, на полгода.

Наночастицы из оксида железа на поверхности клетки. (Фото Empa Pictures / Flickr.com.)

Но чисто транскраниальные методы не отличаются высокой специфичностью. С другой стороны, существуют инвазивные способы, когда мы имплантируем в мозг электроды, которые избирательно действуют на определённые группы клеток. С помощью таких электродов можно, к примеру, подавить мышечный тремор у больных синдромом Паркинсона, однако неудобства такого метода очевидны: хирургическое вмешательство плюс необходимость внешнего источника питания.

Полина Аникеева из Массачусетского технологического института и сотрудники её лаборатории разработали остроумный метод, который позволяет обойтись без постоянного мозгового имплантата и при этом обеспечивает специфичность стимуляции. Суть его в том, что в мозг вводятся наночастицы из оксида железа, которые не несут никаких лекарств, однако могут нагреваться в магнитном поле. Нагревшись, они стимулируют рецепторы капсаицина на клеточных мембранах. Капсаицин – алкалоид, обеспечивающий жгучий вкус стручковому перцу, рецепторные белки к нему (TRPV1) есть у разных клеток, в том числе и у некоторых нейронов головного мозга. Однако в случае отсутствия рецепторов можно генноинженерными способами заставить клетку их синтезировать – что и было сделано в данном случае.

Белки, чувствительные к капсаицину, реагируют на нагретые наночастицы и открывают ионный канал в мембране, в результате клетка возбуждается и генерирует импульс. Обычно такие горячие наночастицы рассматривают как противоопухолевое средство, позволяющее убивать раковые клетки, однако на сей раз исследователи были заинтересованы как раз в том, чтобы просто возбуждать клетки, не убивая их. Отрегулировав силу магнитного поля, можно добиться нужной температуры частиц и нужного эффекта. Сами они, будучи химически полностью инертными по отношению к живой ткани, могут довольно долго оставаться там, куда их ввели. Как пишут авторы работы в своей статье в Science, их метод позволил в течение месяца стимулировать у мышей область среднего мозга, называемую вентральную областью покрышки (которая, к слову, вовлечена в систему подкрепления и участвует в формировании наркотической зависимости).

В будущем наночастицы с магнитным полем можно использовать как беспроводной и «долгоиграющий» стимулятор нейронов, который позволял бы решать самые разные исследовательские и медицинские задачи. Разумеется, до практического применения здесь ещё далеко, однако у нас есть принципиальное доказательство того, что такой метод возможен и работает – а это уже немало.

Автор: Кирилл Стасевич

Подробнее см.: https://www.nkj.ru/news/26036/ (Наука и жизнь, Тёплые наночастицы стимулируют мозг)

Изменяя природу

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 0)

Ученые создали бионические растения, которые способны контролировать состояние окружающей среды и активно поглощать солнечный свет. В будущем усовершенствованные с помощью нанотехнологий и электроники растения смогут выполнять массу функций, в том числе очищать воздух и вырабатывать электричество.

Ученые из Массачусетского технологического института в статье, опубликованной в Nature Materials, заявляют о безграничных возможностях, которые открывает интеграция электроники и наноматериалов в живые растения. Растения имеют много ценных качеств, например они дают нам пищу и топливо, вырабатывают кислород, а также просто добавляют эстетики окружающей среде, в которой мы живем. Ученые из MIT хотят сделать растения еще более полезными с помощью добавления наноматериалов, которые существенно увеличивают производительность растений и придают им совершенно новые функции, например возможность вести мониторинг загрязнения окружающей среды.

Чтобы продемонстрировать перспективность своей идеи, ученые провели серию экспериментов с широко распространенным растением семейства капустных: Arabidopsis thaliana.

Исследователи внедрили в хлоропласты (органеллы в которых происходит фотосинтез) углеродные нанотрубки, которые повысили способность растений к захвату световой энергии на 30%. Также, с помощью другого типа нанотрубок удалось «научить» растение обнаруживать один из основных загрязнителей воздуха – оксид азота.

Модернизированные с помощью наноматериалов растения приобретают необычные функции

Изначально идея бионических растений выросла из проекта по созданию самовосстанавливающихся солнечных панелей, похожих на растительные клетки. В ходе исследований, ученые попытались усилить функции фотосинтеза хлоропластов, выделенных из растений, чтобы использовать их в солнечных ячейках.

Хлоропласты – это природные машины, которые имеют все необходимое для фотосинтеза. На первом этапе фотосинтеза пигмент хлорофилл поглощает свет, который возбуждает электроны. В свою очередь, электроны проходят через тилакоидные мембраны хлоропластов. Растение использует эту электрическую энергию для обеспечения второго этапа фотосинтеза - производства сахара.

При удалении из растения, хлоропласты сохраняют свою работоспособность на протяжении нескольких часов, после чего они разрушаются из-за повреждения белков светом и кислородом. Чтобы продлить функционирование хлоропластов в пробирке, ученые ввели в них наночастицы оксида церия. Эти частицы являются очень сильными антиоксидантами, которые поглощают активные формы кислорода и других веществ, повреждающих хлоропласты. Наночастицы были помещены в хлоропласты с помощью новой технологии LEEP. Суть данной технологии заключается в упаковке наночастиц в напряженные молекулы полиакриловой кислоты, которая легко проникает через гидрофобную мембрану хлоропластов. Благодаря введению наночастиц оксида церия, количество вредных молекул, разрушающих хлоропласты, резко сократилось.

Используя LEEP, исследователи также встроили в хлоропласты полупроводниковые углеродные нанотрубки, которые резко повысили эффективность использования солнечного света. Обычно хлоропласты утилизируют лишь 10% солнечного света, но благодаря повышенной электропроводимости углеродных нанотрубок, хлоропласты смогли захватить свет на длинах волн, которые ранее им были недоступны, например ультрафиолетовый, зеленый и ближний инфракрасный части спектра.

После опытов в пробирке, ученые обратились к живым растениям. Ученые насытили хлоропласты растения наночастицами и нанотрубками, что это увеличило поток электронов в процессе фотосинтеза на 30%.

Пока ученые еще не обнаружили увеличения количества сахара и других полезных химических веществ в бионических растениях. Тем не менее, добавление углеродных нанотрубок позволило превратить растения в детекторы оксида азота: особое полимерное покрытие нанотрубок взаимодействует с загрязнителем и дает слабую флуоресценцию. Ранее ученые MIT уже разработали на основе нанотрубок различные датчики, реагирующие на опасные загрязнители, такие как перекись водорода, тринитротолуол и нервнопаралитический газ зарин. Таким образом бионические растения могут стать надежным детектором опасных веществ, а «лишние» электроны можно использовать для питания микроэлектроники.

В настоящее время ученые работают над созданием бионических растений, которые можно использовать для мониторинга окружающей среды, в том числе для обнаружения пестицидов, грибковых и бактериальных инфекций. Также ученые пытаются интегрировать в растения другие наноматериалы, такие как графен.

http://rnd.cnews.ru/tech/news/top/index_science.shtml?2014/03/17/564666

Шведский стартап Quixter представил технологию биометрической идентификации посредством сканирования рисунка вен на руках. Технология Quixter стала одной из первых в своем роде, получивших коммерческое применение.

Пионером «биометрического васкулярного сканирования» стала Швеция, где группа студентов Лундского университета разработала биометрический сканер Quixter, интегрированный с системой электронных платежей.

Метод биометрической идентификации посредством сканирования рисунка вен (васкулярного сканирования) заключается в считывании расположения подкожных вен на ладони с помощью инфракрасного сканера. Затем рисунок сличается с хранящимся в базе данных.

Метод дополняет собой имеющийся ряд технологий биометрической идентификации, таких как сканирование отпечатка пальца, радужки глаза или лица. Он имеет ряд преимуществ: рисунки вен уникальны даже у полностью идентичных близнецов, не изменяются в зависимости от возраста, а также гарантированно защищены от подделок, так как не видимы невооруженным глазом.

Технология сканирования вен особенно распространена в Азии, в частности, в Японии, где применяется в полиции, больницах, банках и даже некоторых школах. В западных странах, однако, ее не торопятся вводить в коммерческое использование.

Использование биометрического сканнера Quixter позволяет пользователям оплачивать покупки в буквальном смысле рукой. Для этого покупателю необходимо зарегистрировать свой рисунок вен, номер карты (или счета) и номер мобильного на одной из регистрационных стоек Quixter. После этого ему придет SMS с уникальным кодом из 4 цифр.

После регистрации в Quixter клиент может оплачивать покупки в магазинах-партнерах системы, вводя полученный код, а затем сканируя руку на терминале. Система опознает покупателя и заносит сумму покупки в электронный инвойс, который дважды в месяц передается банку для оплаты (так называемый метод прямого дебетования).

Такое коммерческое применение технологии сканирования вен оказалось достаточно удобным для всех сторон процесса (покупателей, банков и магазинов), и им в короткие сроки заинтересовались в бизнесе.

Метод биометрической идентификации посредством сканирования рисунка вен (васкулярного сканирования) заключается в считывании расположения подкожных вен на ладони с помощью инфракрасного сканера

Еще до формального анонса технологии терминалы Quixter установили у себя 15 магазинов и кафе, располагающихся в окрестностях Лундского университета. В настоящий момент в системе совершают покупки около 1600 активных клиентов, и сервис планирует расширяться.

По словам основателя стартапа Фредрика Лейфланда (Fredrik Leifland), главным преимуществом технологии биометрических платежей является безопасность. Рисунок вен сложно даже увидеть, не говоря о том, чтобы подделать.

Кроме того, сканирование ладони психологически лучше переносится покупателем, чем другие методы биометрической идентификации. Снятие отпечатков пальцев в сознании среднего человека тесно ассоциируется с криминалистикой, а распознавание лица или радужки при помощи камер создает ощущение слежки.

Методы биометрической идентификации, подобные васкулярному сканированию, называются неинтрузивными. Они нацелены на то, чтобы проводить подтверждение личности с максимальным психологическим комфортом для пользователя.

Развитие подобных методов занимает умы исследователей по всему миру. Так, два месяца назад испанские ученые представили неинтрузивный метод идентификации человека по запаху его тела.

http://uec.cnews.ru/news/top/index.shtml?2014/04/18/569178

New World

Проект предусматривает разработку уникальной, не имеющей аналогов в мире, беспроводной сверхширокополосной инфраструктуры интеллектуальной связи внутри промышленных и технических объектов, зданий и сооружений, офисных и жилых помещений; создание аппаратуры, программного обеспечения и критических компонентов отечественной элементной базы для разрабатываемой инфраструктуры; организация производства опытно-промышленных партий создаваемой аппаратуры; осуществление развертывания беспроводной сверхширокополосной инфраструктуры на пилотных объектах.

Создаваемые коммуникационные средства используют новый, полностью свободный в настоящее время, нелицензируемый диапазон частот 2.85 – 10.6 ГГц. Эти средства будут объединяться в Mesh сети со скоростью передачи между узлами до 100 Мбит/сек, число узлов может достигать нескольких тысяч.

Проект основывается на оригинальных отечественных разработках, запатентованных в РФ и за рубежом, включенных в международный стандарт сверхширокополосной беспроводной связи, апробированных в ряде реализованных средств связи и мониторинга.

Компания ООО «Анамезон»

ООО «Анамезон» ведет научно-исследовательскую работу в следующих направлениях:
• Исследования в области нелинейной динамики, информационных и коммуникационных технологий на основе динамического хаоса.
• Беспроводные сверхширокополосные системы связи и сенсорные сети на основе хаотических сигналов
• Сверхширокополосная беспроводная персональная инфраструктура на основе динамического хаоса.

Разрабатываемые в рамках данных направлений СШП беспроводные средства связи используют новый нелицензируемый частотный диапазон 3,1 – 10,6 ГГц и обеспечивают передачу данных внутри помещений со скоростями 100 кбит/c – 50 Мбит/c. В качестве сверхширокополосного носителя информации используются хаотические радиоимпульсы – оригинальная Российская разработка, получившая высокие оценки отечественных и зарубежных специалистов. Данная технология вошла в два международных стандарта: в стандарт персональной сверхширокополосной связи IEEE 802.15.4a «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)» и в стандарт IEEE 802.15.6 «Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Wireless Personal Area Networks (WPANs) used in or around a body», регламентирующий физический и канальный уровень беспроводных сверхширокополосных нательных сенсорных сетей…

Принципиальными отличиями представляемой технологии от существующих сетевых средств беспроводной локальной и персональной связи (WiFi, Bluetoth, ZigBee) являются:
— использование нового, незагруженного нелицензируемого частотного ресурса с агрегированной пропускной способностью в десятки раз превосходящей пропускную способность диапазона 2,4 и 5 ГГц;
— высокая устойчивость к многолучевому распространению, характерному для объектовых условий;
— биологическая безопасность, определяемая очень низким уровнем интегральной мощности излучения и «размазыванием» этой мощность по широкому спектру частот;
— шумоподобные хаотические сигналы, применяемые для передачи информации, малозаметны для постороннего наблюдателя, что обеспечивает дополнительную степень безопасности связи уже на физическом уровне;
— низкое энергопотребление, эффективная масштабируемая передача всех типов данных, возможность быстрого развертывания инфраструктуры при большом числе узлов.

К настоящему моменту на базе предложенной технологии создан широкий спектр продуктов от составных элементов беспроводных сверхширокополосных систем связи до готовых решений – беспроводных сенсорных сетей для различных применений: генераторы хаоса, СШП малогабаритные приемо-передатчики для беспроводных персональных систем связи, активные СШП радиометки (RFID), учебно-научный комплекс СШП беспроводной связи, СШП беспроводные сенсорные сети.Технология защищена 5 российскими и 4 международными патентами.

http://startuppoint.ru/startup/community.sk.ru-net-1110109-default.aspx

«Умная пыль» - сценарии использования

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

(голосов: 0)

Роман Станислава Лема «Непобедимый», описывающий драматическое противостояние землян и кибернетического квази-организма, созданного инопланетным разумом, давно уже стал классикой научной фантастики. Считается, что именно в этой книге польский писатель-футуролог впервые описал концепцию «умной пыли» — мириадов мельчайших механизмов, способных к самоорганизации. Сегодня ученые вплотную подошли к созданию микроботов, умеющих образовывать мобильные сети. Этим миниатюрным устройствам еще далеко до инопланетных «мушек», описанных Лемом. Но даже на современном уровне развития технологий «умная пыль» может найти немало интересных (и опасных) применений.

Следует отметить, что научные работы по нижеописанному проекту Smart Dust были изъяты из открытого доступа начиная где-то с 1999 г. По данным из открытых источников, на рубеже веков ученые США продолжали миниатюризацию «пылинок», проводя натурные испытания. В 2003 году К. С. Дж. Пистер, соавтор приведенной здесь работы, опубликовал статью под названием „Smart Dust — Hardware Limits to Wireless Sensor Networks” («Умная пыль — аппаратные ограничения для беспроводных сетей»), полный текст которой недоступен. С тех пор миниатюризация электронных устройств продолжалась, уменьшалось их энергопотребление. И неизвестно, во что превратился этот интереснейший проект сегодня. К слову, давно ли вы вытирали в своей квартире пыль из самых укромных уголков?

Крупные сети беспроводных датчиков становятся актуальной темой научных исследований. Успехи в области технологии создания аппаратных средств и инженерного проектирования привели к значительному снижению размеров, потребления питания и стоимости цифровых схем, беспроводных коммуникаций и микроэлектромеханических систем (MEMS). Это позволило создать очень компактные, автономные и мобильные узлы, каждый из которых содержит один или более датчиков, вычислительные и коммуникационные средства, а также источник питания. Полноценно использовать эти революционные технологии невозможно, прежде всего, в силу отсутствия соответствующих сетевых технологий. В научной работе, подготовленной исследователями факультета электротехники и информатики Калифорнийского университета в Беркли (Дж.М.Кан (J.M.Kahn), Р.Х.Кац (R.H.Katz), К.С.Дж.Пистер (K.S.J. Pister)), рассматриваются основные элементы технологии «умной пыли» (smart dust) и описываются исследовательские задачи, которые придется решить представителям сообществ, занимающихся мобильными сетями и системами — необходимо обеспечить согласованное соединение большого количества узлов мобильных сетей, расположенных в крайне ограниченном пространстве.

Рис. 1. Мот («умная пылинка») содержит микродатчики, оптический приемник, пассивный и активный оптические передатчики, схему обработки сигнала и управления, а также источник питания

Одним из наиболее заметных проектов, связанных с построением мобильной сети, состоящей из узлов-микродатчиков, является проект Smart Dust («Умная пыль»), реализованный в свое время в Калифорнийском университете в Беркли под руководством профессоров Пистера и Кана. Основной задача проекта состояла в исследовании предельно возможных размеров и потребления питания автономными узлами-датчиками. Снижение габаритов являлось первоочередной задачей — узлы такой сети должны быть максимально дешевыми и простыми в развертывании. Исследователи исходили из того, что они смогут разместить необходимые датчики, средства связи и обработки данных, а также источник питания, в объеме не превышающем нескольких кубических миллиметров. При этом, такие элементы должны демонстрировать высокую производительность, связанную с функциональностью датчиков и средств связи. Эти устройства миллиметровых масштабов и были названы «умной пылью» (smart dust). Возможно, будущие образцы «умной пыли» будут достаточно малыми по размерам, чтобы парить в воздухе, поддерживаемые его потоками, собирать информацию и осуществлять связь на протяжении нескольких часов или даже дней. Как минимум, в научной фантастике такая идея уже упоминалась (роман Нила Стивенсона «Алмазный век»).

Исследование систем на основе «умной пыли» началось буквально вчера. Основная задача этой статьи состоит в представлении некоторых технологических возможностей и вопросов с тем, чтобы привлечь большее количество серьезных исследователей, интересующихся этим чрезвычайно важным направлением.

«Умная пыль»: технологии

Как это обычно бывает в новых научных областях, терминология, связанная с «умной пылью», с одной стороны еще не устоялась, с другой — в обиход научного сообщества, нередко, входят термины, предложенные первопроходцами. На сегодняшний день наиболее часто в англоязычной научной литературе при описании «умной пыли» ее базовые элементы называют mote («пылинка»). В отечественных статьях можно встретить морфологическую передачу термина — «мот» (мн. ч. — «моты»). В этой статье мы будем применять этот вариант, а в качестве синонима — «умная пылинка» (smart dust mote).

На рисунке ниже изображена отдельная «умная пылинка» — мот. В единый корпус интегрированы MEMS-датчики, полупроводниковый лазерный диод и зеркало управления лучом на основе MEMS для активной оптической передачи, кубический уголковый MEMS-отражатель для пассивной оптической передачи, оптический приемник, схема обработки сигнала и управления, а также источник питания на базе толстопленочных аккумуляторов и солнечных элементов. Это устройство замечательно тем, что оно может собирать информацию, коммуницировать и при этом не имеет внешних источников питания.

Основная задача состоит в интеграции всех этих функций при очень низком потреблении питания, а следовательно, максимальном продлении срока службы при ограниченном объеме, предназначенном для хранения энергии. С учетом того, что объем такого устройства должен ориентировочно равняться 1 куб. мм, а в наличии имеются наилучшие на сегодня аккумуляторные технологии, количество хранимой энергии составляет порядка 1 Дж. Если эта энергия используется непрерывно в течение дня, то при грубом расчете потребляемая мотом мощность не может превышать 10 мкВт.

Прогнозируемая функциональность «умной пыли» может быть достигнута только если общая потребляемая мощность мота не превышает нескольких микроватт и при этом используется стратегия бережного потребления энергии (т.е. различные элементы мота потребляют питание только когда оно им необходимо). Если же «умным пылинкам» придется работать в течение нескольких дней, могут быть применены солнечные элементы: подобное решение позволит получать до 1 Дж в день при использовании солнечных лучей, либо около 1 мДж — при работе от источников искусственного освещения.

Исследование Джозефа М. Кана и Кристофера С. Дж. Пистера выполнено в рамках проекта Smart Dust (DARPA). Исследование Пистера и Рэнди Говарда Каца выполнено в рамках контракта Endeavour Expedition to the Information Technology Future (DARPA).

Методы работы датчиков и реализацию обработки данных при низком потреблении питания можно считать хорошо проработанными. Более сложная инженерная проблема — разработка коммуникационной архитектуры, работающей при сверхнизком энергопотреблении. На сегодня наиболее подходящими технологиями для осуществления этой задачи является использование радиоволн или оптической передачи, причем у обеих технологий есть свои преимущества и недостатки. В первом случае проблемой является очень ограниченное пространство для размещения антенн, вследствие чего возможна передача только на очень коротких волнах (т.е. очень больших частотах), а связь в этом режиме не позволяет работать при низком потреблении питания. Кроме того, РЧ-трансиверы являются относительно сложными схемами, что затрудняет снижение энергопотребления до требуемого уровня (несколько микроватт) — потребуются схемы модуляции, полосовой фильтрации и демодуляции, а также дополнительный модуль, в случае если передача сигналов от большого количества мотов должна быть мультиплексирована с разделением по времени, частоте или с использованием кодирования.

Привлекательная альтернатива состоит в использовании оптической передачи (т.н. атмосферная оптическая линия связи, АОЛС). Исследования Кана и Пистера, описанные в статье «Беспроводная связь для “умной пыли”» (V. S. Hsu, J. M. Kahn, and K. S. J. Pister, “Wireless Communications for Smart Dust”, Electronics Research Laboratory Memorandum Number M98/2, 1998), показали, что при использовании АОЛС для передачи одного бита информации требуется значительно меньше энергии, чем в случае применения радиочастотных аналогов. Оптические линии имеют несколько преимуществ, связанных с энергопотреблением. Оптическим приемопередатчикам требуется только одна простая схема аналоговой и цифровой безмодуляционной передачи — и никаких модуляторов, активных полосовых фильтров или демодуляторов. Использование волн короткой длины видимого или ближнего ИК-излучения (порядка 1 микрон) позволяют устройству миллиметрового размера излучать узкий луч (т.е. может быть достигнут высокий коэффициент усиления антенны). Еще одна выгода в использовании таких волн состоит в том, что базовый трансивер (БТ), оснащенный компактным приемником-формирователем изображения, сможет декодировать сигналы, одновременно передаваемые с большого количества мотов, находящихся в «поле зрения» приемника, что, по сути, представляет собой вид мультиплексной передачи с пространственным уплотнением.

Для успешного декодирования одновременных передач требуется, чтобы «умные пылинки» не находились на линии прямой видимости между другими мотами и КУ. Впрочем, такое блокирование маловероятно
из-за малых размеров устройств. Второе требование к декодированию одновременно принятых сигналов состоит в том, чтобы изображения разных мотов регистрировалось разными пикселями фотоприемника КУ.

Чтобы получить представление о требуемом разрешении приемника, рассмотрим следующий пример. Предположим, что трансивер КУ следит за содержащей «умную пыль» зоной размером 17х17 м. При этом он использует высокоскоростную видеокамеру с очень скромной матрицей 256х256 пикселов. Каждый пиксел регистрирует изменения области размером около 6,6 кв. см. Поэтому одновременные передачи могут быть декодированы только в том случае, если «умные пылинки» разделяет расстояние не меньше размеров пачки сигарет.

Рис. 3. Конструкция оптической сети на основе АОЛС, в которой базовый трансивер связывается одновременно с несколькими «умными пылинками» (показан только один мот). Лазер на базовой станции имеет достаточную оптическую мощность для прямой и обратной передачи данных.

Еще одно преимущество использования АОЛС состоит в том, что один из элементов MEMS делает возможным использование технологии пассивной оптической передачи сигнала, т. е. для передачи модулированных оптических сигналов не потребуется какой-либо излучатель. Этим элементом является кубический уголковый отражатель (КУО, рис. 2). Он состоит из трех взаимно перпендикулярных зеркал из покрытого золотом поликремния. КУО имеет свойство возвращать любой попадающий на него луч света обратно к источнику (при условии, что луч света падает в пределах определенного диапазона углов от пространственной диагонали куба). Если одно из зеркал смещается, свойства световозвращающей системы ухудшаются. Микроскопический КУО содержит электростатический привод, который может отклонять одно из зеркал с частотой около 1 кГц. На сегодняшний день получены результаты, свидетельствующие о возможности передачи модулированного сигнал на скорости порядка нескольких килобит в секунду. Поскольку сама «умная пылинка» не излучает в этом случае свет, а отражает его, пассивный передатчик потребляет небольшое количество энергии. Используя КУО, Чу и Пистер продемонстрировали передачу данных на скорости до 1 килобита в секунду на расстояние до 150 метров, применяя 5-милливаттный лазер (P. B. Chu, N. R. Lo, E. C. Berg, K. S. J. Pister, „Optical Communication Using Micro Corner Cube Reflectors”, Proc. of IEEE MEMS Workshop, Nagoya, Japan, January 1997, стр. 350–355).

Стоит подчеркнуть, что в случае использования пассивных оптический линий связи на основе КУО линия прямой видимости не должна перекрываться. Кроме того, пассивный передатчик на основе КУО является направленным по своей природе, и кубический уголковый отражатель может передавать сигнал на базовый трансивер только в случае, если пространственная диагональ КУО направлена непосредственно на КУ — допустимо отклонение в пределах нескольких десятков градусов. Пассивный передатчик может отражать излучение в нескольких направлениях при использовании нескольких разнонаправленных КУО, но при этом неизбежно увеличение размеров мота. Даже если мот оснащается несколькими КУО, отсутствие всенаправленной передачи довольно сильно влияет на осуществимость стратегии сетевой маршрутизации.

На рис. 3 изображена оптическая сеть на основе АОЛС, использующая пассивную передачу информации с применением КУО. Базовый трансивер оснащен лазером, луч которого освещает область, содержащую «умные пылинки». Этот луч может быть модулирован передаваемыми данными, включая команды на включение и запрос информации от мота. Когда луч не модулируется, моты могут использовать КУО для передачи данных обратно на базовую станцию. Высокоскоростная видеокамера с ПЗС-матрицей, размещенная на КУ, «видит» эти сигналы КУО как вспышки света. Затем коммуникационный узел декодирует эти мигающие изображения в данные. Эксперимент Кана и Пистера показал, что такая схема позволяет достичь скорости передачи данных в несколько килобит в секунду на