Что такое умная пыль и как ее распространение меняет мир вокруг нас
Новое поколение устройств smartdust («умная пыль») откроет возможность для беспроводного сбора данных в режиме реального времени, что приведет к изменению представлений об инженерных системах, здравоохранении, взаимодействии с окружающей средой. Как появились такие устройства, и что пока сдерживает их развитие – в материале журналиста Леонида Черняка, подготовленном специально для TAdviser.
В начале 90-х годов XX века совместными усилиями американского оборонного агентства DARPA и компании Rand Corporation были созданы первые автономные информирующие устройства mote (пылинка, частица) размером со спичечный коробок. Они состояли из датчиков, снимающих те или иные показатели окружающей среды, компьютера, передатчика и устройства питания (от сети, батарей или солнечных элементов).
Эти mote предназначались исключительно для военных и разведывательных целей, но уже спустя 5-7 лет, в результате начавшейся тогда «сенсорной революции», появились аналогичные устройства гражданского назначения. Тогда же родилось современное название технологии smartdust (умная пыль), а ее отдельный компонент по-прежнему называется mote. Вышедшие из под контроля спецслужб mote задумывались для разнообразных целей, например, для контроля за сложными инженерными сооружениями, прежде всего мостами, деградирующими в процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (осадки, ветер, температура, вибрация, соль, вызывающая коррозию). Возможно, из-за отсутствия такого контроля произошло обрушение моста в Генуе в августе 2018 года. В постоянном мониторинге нуждаются ледники, леса, вулканы, океан и все остальное.
Экспериментальные экземпляры mote начала двухтысячных выглядели примерно так, как показанное на рисунке ниже устройство. Оно изготовлено в университете Беркли, академическом центре нового движения. Лидером направления стал профессор Кирс Пистер, известный своими работами в области микро электромеханических устройств и основатель компании Dust Networks. Энтузиазм создателей и традиционное для Беркли леворадикальное настроение породили лозунг: «Датчики всего мира – объединяйтесь!» Аналитики заинтересовались новацией и Gartner, не раздумывая, поместила smartdust на стартовую позицию в своей кривой хайпа в 2003 году с перспективой на реализацию через 10 лет
А задуматься было о чем. Идея умной пыли настолько же очевидна, настолько сложна в реализации. Неслучайно в следующий раз технология smartdust появлялась на гартнеровской кривой только в 2013 году. Зато с 2015 она каждый год помещалась в самой начальной точке с более чем десятилетней перспективой на достижение технологии зрелости. Основной причиной неоднократного отката на прежнюю позицию оставалась недостаточная подготовленность сетевых и коммуникационных технологий.
До последнего времени весьма специфические «пыльные сети» оставались совершенно оригинальны. Они создавались в отрыве от других типов сетей, но отнюдь не из-за стремления к самобытности. Это была вынужденная мера, поскольку ничего соответствующего их требованиям на рынке не было. Как с помощью EvaProject и EvaWiki построить прозрачную бесшовную среду для успешной работы крупного холдинга 
Исходной точкой для подхода к сети mote служит тот факт, что по определению мощность передатчика каждого отдельно взятого устройства ничтожно мала. В результате для создания сети была выбрана беспроводная технология Multi-hop, в основе которой лежит цепочечный принцип, а именно, каждый из узлов служит ретранслятором для остальных. Топология full-mesh гарантирует надежность и отказоустойчивость. Внутри сети передача данных осуществляется по собственному (проприетарному) протоколу TSMP (Тime Synchronized Mesh Protocol), разработанному компанией Dust Networks, а далее через шлюз сеть подключается к интернету. Для компании, насчитывающей полсотни работников, это достижение.
За полтора десятилетия размеры mote сократились до нескольких кубических миллиметров, а стоимость - до $10 и ниже. Но этого пока недостаточно для массового распространения smartdust, поскольку остается вопрос коммуникации. Ситуация может принципиально измениться с появлением технологий мобильной связи пятого поколения Bluetooth 5.0 и 5G. В этом случае отпадает необходимость в отельной сети, а каждый mote может быть подключен непосредственно к интернету.
Новое поколение smartdust откроет возможность для беспроводного сбора данных в режиме реального времени, что приведет к изменению наших представлений об инженерных системах, здравоохранении, взаимодействии с окружающей средой. Миллиарды, если не триллионы устройств, способных к передаче данных и к взаимодействию по обратной связи смогут передавать по запросам самые разные доступные физические и химические показатели окружающей среды. Устройства могут получать питание от батарей, извлекать энергию из среды (вибрации, свет). Они могут быть распложены в любых самых труднодоступных местах. Есть основания полагать, что smartdust, как всеобъемлющее явление, со временем поглотит интернет вещей (IoT), символ Четвертой промышленной революции.
По аналогии с WWW (World Wide Web) можно сказать, что средствами smartdust мир превращается в единый Real World Web. Пока сложно представить себе жизнь, где информированность безгранична, где мы будем узнавать все от тривиального сообщения о необходимости замены зубной щетки до получения достоверных сведений обо всех остальных инженерных и природных объектах.
Однако миру полной информационной открытости угрожает эффект Большого брата, описанный Джеймсом Оруэллом в романе «1984». Об этой опасности обычно вспоминают, говоря о социальных сетях, Больших данных и во многих других случаях соприкосновения людей с различными формами слежения за ними. Поэтому одной из главных задач будущих технологий smartdust станет сохранение частного пространства (privacy).
После 2013 года поднялась пока еще скромная по своим масштабам волна создания стартапов, подготавливающих поле для своего участия в smartdust. Большая часть из них не поднялась до системного уровня Dust Networks, идя другим путем, и ставя перед собой ограниченные задачи, позволяющие оправдать вложенные в них средства. Например Koto Air (Словения), QwikSense (Голландия), Wynd Technologies и Birdi (обе США) предлагают системы для контроля за состоянием атмосферы в домах, учебных заведениях и больницах. Американская CivicSmart – управление парковкой.
Очевидно, что эти компании делают заготовку на будущее, решая частные задачи, они подспудно разрабатывают датчики, рассчитанные на подключение по каналам связи пятого поколения. Но есть и компании с более серьезными целями, среди них Cubeworks (США), выпускающая сверхминиатюрные датчики и платформу Cubisens для сбора информации и хранения данных.
Датчик CubeWorks состоит из четырех компонентов, размещенных на одном кристалле:
- Процессор ARM Cortex M0 и память 4 Кбайт
- Зарядное устройство
- Радиопередатчик
- Датчик
Потребление энергии в режиме готовности составляет 8 нВт. При передаче оно возрастает, но зарядное устройство, отдающее 10 нВт с 1 квадратного миллиметра в условиях комнатного освещения, в сочетании с батареей обеспечивают неограниченно долгий период работы.
Крупные вендоры тоже проявляют внимание к smartdust, прежде всего IBM. Корпорация традиционно развивала логически близкую к smartdust тему всепроникающего компьютинга. Однако теперь она, вероятно, разворачивается в сторону smartdust.
Голубой гигант все делает не быстро. Народная мудрость гласит, что IBM начинает осваивать сегмент рынка только в том случае, если он больше миллиарда. Видимо пока корпорация в ожидании, но явно на старте.
Ключевой момент для smartdust - дешевый и производительный процессор. Его можно сделать при условии массового производства, поэтому в порядке подготовки к будущему на конференции Think 2018 корпорация объявила о самом маленьком в мире компьютере. Его размер - 1 кв. мм. Несмотря на миниатюрность, по мощности он сравним с Intel 8086. А в этом квадратном миллиметре, помимо процессора и памяти, есть питающий устройство фотоэлемент и встроенная пара фотодиод/фотодетектор, обеспечивающая оптическую связь с внешним миром. Стоимость устройства при массовом производстве составляет менее 10 центов.
Преемники этого компьютера, но поддерживающие связь по радиоканалу, смогут стать базисом для будущих устройств smartdust. А до тех пор автономный компьютер с оптической связью может выполнять функцию метки, удостоверяющей подлинность товара. Подделать ее невозможно, а считать данные посредством смартфона ничего не стоит. Массовое производство такого рода меток станет заделом для smartdust в обозримом будущем.
