スマートダストとマイクロ電光機械システム(メム)の未来

スマートダストとMEMSの理解

マイクロ電光機械システム(MEMS)とスマートダストは、業界全体のデータ収集をリシャピングする小型化、センシング、およびワイヤレス通信のコンバージェンスを表しています。 MEMSデバイスは、機械的要素、センサー、アクチュエータ、および一般的なシリコン基板上の電子機器を組み合わせ、マイクロファブリケーション技術によって、集積回路製造から派生しています。これらのコンポーネントは、数マイクロメートルから数ミリまでのサイズで、コンパクトな形状の要因で非推奨統合を可能にします。スマートダストは、この概念を拡張し、ネットワークや温度を監視することができます。

カリフォルニア州立大学バークレー校の研究者が、1990年代後半に「スマートダスト」という用語が刻印され、自動センサーをモモモに統合し、ほこりのように分散することができました。各モモモは、電源、センサー、プロセッサ、およびラジオ送信機が1立方ミリメートル未満の量でパッケージ化されています。初期のプロトタイプは、MEMSの加工、エネルギー収穫、低電力の電子機器の継続的な進歩がより大きく、最近では、これらの視覚機器は、多くの視覚機器が近づけられています。

現在のアプリケーション

MEMS テクノロジーは、すでに日常のデバイスや産業用システムに組み込まれています。MEMS センサーの汎用性は、加速、角度率、圧力、温度、磁場、化学的および生物学的エージェント、さらには音を検出する能力から成ります。主なアプリケーションドメインは次のとおりです。

オートモーティブシステム:] MEMSアクセラレータとジャイロスコープはエアバッグの展開をトリガーし、電子安定性制御を有効にし、車両のナビゲーションをサポートします。タイヤ圧力監視センサー(TPMS)は、MEMS圧力センサーに依存して、安全と燃料効率を改善します。
[Consumer エレクトロニクス:[]スマートフォンやウェアラブルは、画面の向き、ステップカウント、およびジェスチャー認識のためのMEMSアクセラレータ、ジャイロスコープ、および磁気計を使用します。 MEMSマイクロホンとスピーカーは、現在、オーディオ機器で標準であり、プロジェクターでは、MEMSミラー配列を使用します。
医療機器:] MEMS圧力センサーは血圧およびintraocular圧力を監視します。ラボオンaチップシステムは、マイクロ流体とセンサーをポイントオブケア診断に統合します。医薬品配送システムは、正確な投薬のためにMEMSポンプを使用します。
[産業オートメーション:[]] MEMS 加速器と温度センサーモニター機器の振動と熱条件予測保守。慣性測定ユニット(IMU)は、自動運転ロボットとドローンをガイドします。
[]環境モニタリング:] 無線センサーネットワークは、MEMSガスセンサー、湿度センサー、圧力センサーを組み込んでおり、空気の品質、気象パターン、および汚染レベルをリアルタイムで追跡します。

これらのアプリケーションは、MEMS の加工とマイクロセンサー技術の広範な採用の成熟度を実証しています。しかし、さまざまなスマートダストの潜在的なフルが、広大なネットワークを通信しながら、遠隔地が自律的に作動し、電力、通信、知能のさらなる革新を必要としています。

スマートダストとMEMSの未来

エネルギー収穫と電力管理の進歩

スマートダストの展開に最も重要な障壁の1つは、電池の寿命が限られていることです。将来のセンサーは、環境からのエネルギーをますます引きます。エネルギー収穫技術は周囲の振動、熱勾配、光、または電力に無線周波数エネルギーを変換します。圧電 MEMSジェネレータは、機械の振動からミリワットをスキャニングできます。熱電装置は温度差を悪用します。センサー表面の光起細胞は、屋内または屋外光を収穫することができます。このような機関での研究者は、[FLT]を加熱する場合には、従来の車両を移動します。

通信プロトコルとネットワーク

信頼性が高く低電力通信は重要な課題を残します。従来の無線は、過去数年間必要のある表にあまりエネルギーを消費します。Emerging アプローチには、センサーが周囲の無線信号を反映したバックスキャッター通信、データを送信するミリグラムスケールの光トランシーバ、LED やレーザーを使用して、短距離のラインのリンク、および固体または液体による音響通信が含まれます。LoRaWAN や Bluetooth Low Energy (BLE) などの標準は、SWIFI およびのネットワーク (F) およびの監視対象の t を t にする t の s のと s ののののをします。

人工知能との統合

スマートダストは、生センサーデータの膨大な量を生成します。すべてのデータを中央サーバーに転送すると、ネットワーク容量とドレイン電力が圧倒的に圧倒されます。センサーの mote に直接機械学習の不当を統合することにより、デバイスはデータを処理したり、パターンを検出したり、関連情報だけを送信したりすることができます。 TensorFlow Lite マイクロコントローラなどのTinyMLフレームワークは、米の粒よりも小さいマイクロコントローラ上で実行することができます。これは、スマートダストが、健康監視や生物の種間を介入したり、人間の健康診断をしたり、観察したり、観察したり、観察したり、観察したり、観察したり、観察したりするなどの作業を実行することができます。

メディカル・ヘルスケアの変革

MEMS技術は、生理学的パラメータの連続的、最小限に侵襲的モニタリングを可能にすることによって、薬を革命化するために浸透しています。体内に配置または内部のワイヤレスMEMSセンサーは、グルコースレベル、pH、温度、圧力、および生体力を追跡することができます。摂取可能なスマートダストカプセルは、消化管体内のインプラントが慢性疾患を監視することができますが、消化管器疾患を診断することができます。 ]]の研究者は、ホプキン大学[FLT]を[FLT]に置き換える]が、または、医療用センサーを保護することができます。それらは、MEMSを修復する機能が、または保護します。

大規模環境・インフラ監視

広域エリアにスマートダストを配置することで、環境科学と土木工学のための密でリアルタイムなセンシンググリッドを作成できます。農業では、遠隔ネットワークは土壌の水分、栄養素レベル、およびマイクロ気候の変動を測定し、灌漑と受精を最適化することができます。災害対応では、航空機から散布されたスマートダストは、有毒ガスプラムをマッピングし、地震後の生存者を検知したり、構造的完全性を監視したりすることができます。気候調査では、海洋スマートダストは、このような環境分析装置を追跡することができます。[F]と、COF1:CO2排出量を削減し、CO2排出量を削減します。

軍事と防衛イノベーション

防衛組織は、監視、再燃、脅威検出のためにスマートダストを探しています。ミニチュア化された音響、地震、および化学センサーは、拒否された領域における一時的な状況意識を作成するためにエアドロップすることができます。 MEMSベースの慣性ナビゲーションシステムは、ドローンや通信のためのGPS拒否ナビゲーションをサポートしています。しかし、デュアルユースの性質は、紛争ゾーンにおける自律性、プライバシー、および説明責任に関する倫理的な懸念を上げ、国際政策と国際協定を通した必要があります。

克服への挑戦

パワーコントレイントと信頼性

省エネの収穫、維持なしで年上の信頼できる操作を維持しても要求されます。マウスは、電力ディップ、コンポーネントのドリフト、または物理的な損傷を経験するかもしれません。冗長性と自己治癒ネットワークプロトコルは、いくつかの問題を軽減することができますが、一貫性と長期材料の安定性を製造することは、オープンリサーチの質問を残します。高密度の表出配の熱放散も、熱設計が必要です。

データのセキュリティとプライバシー

スマートダストネットワークは、エスプレッソ、スプーフィング、およびデニアル・オブ・サービス攻撃に脆弱です。低電力無線での送信を暗号化することは、計算上高価です。軽量の暗号アルゴリズムとMEMSパッケージに統合されたハードウェアセキュリティモジュールは開発されていますが、広範囲にわたる導入遅延。プライバシーに関する懸念は、リモートが同意なしに公共またはプライベートスペースに展開されると急激です。これらの監視対象の監視対象の規制枠組みは、大きくなります。

製造のスケーラビリティとコスト

MEMSの加工は、大量のアプリケーションで成熟していますが、真に安価なスマートダスト・モモ(それぞれに重要なコスト・セント)を生産することで、パッケージング、テスト、アセンブリの進歩が必要です。MEMSセンサーを1つの添加したモジュールでロジック、メモリ、電源と組み合わせることで、さまざまな研究領域が加速されます。表の10億に及ぶことは、電子廃棄物や材料の回復に関する環境問題も増加しています。

倫理的および社会的な影響

スマートダストのubiquityは、民主的な監視を可能にし、市民の自由に対する懸念を上げます。ポリシーは、許容使用、データの所有権、およびオプトアウトする権利を定義する必要があります。さらに、エネルギー使用や化学廃棄物を含むシリコンベースのmotesを製造する環境のフットプリントを最小限に抑える必要があります。生分解性や再生性を含む責任ある設計原則は、学術ラボや企業の持続可能性プログラムで探されています。

コンテンツ

スマートダストとMEMSは、ラボの好奇心から次世代のコネクティッドセンサーを継承する実用的なテクノロジーへと移行しています。コンパクトなフォームファクタで、詳細なリアルタイムデータを提供する能力は、ヘルスケアと農業から防衛と環境科学に至るまで、さまざまな分野にわたって刺激的な可能性を広げています。エネルギーの収穫、エッジAI、低電力通信の進歩により、現在の制限を克服し、スマートダストがグローバルセンサーファブリックの不可欠な部分になるように期待できます。ポリシーメーカー、エンジニア、社会、およびコラボレーションは、より小型で、より小型で、より小型で、より小型で、より小型で、より小型で、より小型で、より小型で、より快適な環境を保ちます。