智能塵埃

由於硅片技術和生產工藝的突飛猛進，集成有傳感器、計算電路、雙向無線通信模塊和供電模塊的微塵器件的體積已經縮小到了沙粒般大小，但它卻包含了從信息收集、信息處理到信息發送所必需的全部部件。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，蒐集、處理、發射信息，它能夠僅依靠微型電池工作多年。智能微塵的遠程傳感器芯片能夠跟蹤敵人的軍事行動，可以把大量智能微塵裝在宣傳品、子彈或炮彈中，在目標地點撒落下去，形成嚴密的監視網絡，敵國的軍事力量和人員、物資的流動自然一清二楚 ^[1]  。

智能塵埃在提供多種好處之時，也將產生一系列影響。在智能塵埃面前，個人隱私不復存在，一舉一動都被監控着。無論是商業機密還是國家機密，想要避免對手的竊取都將越來越困難，使正常的商業秩序變得一團糟。這對於相互對峙的國家來説，又將是一場惡夢 ^[3]  。

智能塵埃還沒有真正應用以前，仍無法確認它將會帶來什麼，對此能做的只能是期待事實的驗證。不管是否接受，智能塵埃已經不再遙遠。也許這樣的新技術就像是那個撈到裝了魔鬼的瓶子的漁夫——也許得到魔鬼的感激，也許收到它的憤怒。不同的是，人類一旦開啓了這個瓶子將不會有機會再把它蓋上。而英特爾正是那個一心想要打開瓶蓋的漁夫，且正在一點點開啓 ^[3]  。

據英特爾介紹，智能塵埃是一種能夠以無線傳輸方式傳遞信息的微型電子機械傳感器(MEMS)。它雖然成本小卻用途廣，可以探測周圍諸多環境參數，從光線強度變化到振動能量大小，幾乎無所不能；能夠收集到大量數據進行計算處理，然後利用雙向無線通信裝置將這些綜合信息在微塵器件間往來傳送。數以百計的微型傳感器還能組成智能塵埃系統，可以自我組織、自我維持，協同工作，用以監測四周環境的温度和濕度等環境參數變量。智能塵埃系統在擁擠的鬧市區可用作交通流量監測器；在家庭則可監測各種家電的用電情況以避開高峯期；也可以部署在戰場上，跟蹤敵人的軍事行動。此外，從監控醫院病房內病人的身體狀況與活動，到感應工業設備的非正常振動來確定製造工藝缺陷，智能塵埃技術潛在的商業應用價值非常之大 ^[3]  。

1、軍事應用:

智能塵埃系統也可以部署在戰場上，遠程傳感器芯片能夠跟蹤敵人的軍事行動 ^[4]  。智能塵埃可以被大量地裝在宣傳品，子彈或炮彈殼中，在目標地點撒落下去，形成嚴密的監視網絡，敵國的軍事力量和人員、物資的運動自然一清二楚。美國五角大樓希望在戰場上放置這種微小的無線傳感器，以秘密監視敵軍的行蹤。美國國防部在多年前就已經把它列為一個重點研發項目。如果像美國預想的那樣，智能塵埃用在戰場上，美國的軍事實力又將與其他國家再度拉開距離。智能塵埃還可以用於防止生化攻擊——智能塵埃可以通過分析空氣中的化學成分來預告生化攻擊。此外，智能塵埃還有許多具體的軍事應用 ^[5]  。

2、醫療健康應用:

英特爾正在研究通過檢測壓力來預測初期潰瘍的“Smart Socks”，以及通過檢測傷口化膿情況來確定有效抗生物質的“智能繃帶”。如果一個胃不好的病人吞下一顆米粒大小的小金屬塊就可以在電腦中看到自己胃腸中病情發展的狀況，對任何一個胃不好的人來説無疑都是一個福音。智能塵埃將來可以植入人體內，通過這種無線裝置，可以定期檢測人體內的葡萄糖水平、脈搏或含氧飽和度，將信息反饋給本人或醫生，用它來監控病人或老年人的生活。為糖尿病患者監控血糖含量的變化。糖尿病人可能需要看着電腦屏幕上顯示的血糖指數才能決定合適自己的食物。 ^[2] 

將來老年人或病人生活的屋裏將會佈滿各種智能塵埃監控器，如嵌在手鐲內的傳感器會實時發送老人或病人的血壓情況，地毯下的壓力傳感器將顯示老人的行動及體重變化，門框上的傳感器瞭解老人在各房間之間走動的情況，衣服裏的傳感器送出體温的變化，甚至於抽水馬桶裏的傳感器可以及時分析排泄物並顯示出問題……這樣，老人或病人即使單獨一個人在家也是安全的 ^[5]  。

3、防災領域的應用:

智能塵埃可能會用於發生森林火災時通過從直升機飛播温度傳感器來了解火災情況。作為進一步的應用，將用於通過傳感器網絡調查北太平洋海洋板塊的美國華盛頓大學“海洋項目”及美國正在推進的行星網絡項目中 ^[5]  。

4、大面積，長距離無人監控:

以中國西氣東輸及輸油管道的建設為例，由於這些管道在很多地方都要穿越大片荒無人煙的無人區。這些地方的管道監控一直都是道難題，傳統的人力巡查幾乎是不可能的事，而現有的監控產品，往往復雜且昂貴。智能微塵的成熟產品佈置在管道上將可以實時地監控管道的情況，一旦有破損或惡意破壞都能在控制中心實時瞭解到。如果智能微塵的技術成熟了，僅西氣東輸這樣的一個工程就可能帶來上億元的智能微塵資金節省。電力監控方面同樣如此，據瞭解，由於電能一旦送出就無法保存，因此，電力管理部門一般都會層層要求下級部門每月上報地區用電要求，但地區用電量的隨時波動使這一數據根本無法準確，國內有些地方供電局就常常因數據誤差太大而遭上級部門的罰款。但一旦用智能微塵來監控每個用電點的用電情況，這種問題就將迎刃而解。總之，從在擁擠的鬧市區可用作交通流量監測器，在家庭則可監測各種家電的用電情況以避開高峯期到感應工業設備的非正常振動來確定製造工藝缺陷，智能微塵技術潛在的應用價值非常之大。而且，微塵器件的價格將大幅下降，已在50到100美元之間，預計5年之內將降到1美元左右，這預示着智能微塵具有廣闊的市場前景 ^[5]  。

1992年前後掀起了一陣智能熱：智能居室、智能建築、智能炸彈等等，於是美國加州大學伯克利分校的Kristofer Pister想起了“智能塵埃”這個詞。而Pister有關智能塵埃的實質性研究則始於1994年，與此同時還開展了相關硬件平台的研發 ^[2]  。

這項得到美國國防部先進研究計劃局(DARPA)微系統技術辦公室MEMS計劃資助的研究，目的是通過演示來證明一個完整的傳感器和通信系統可以被集成到立方毫米量級的空間中。由於DARPA的資助範圍並不包括傳感器，Pister與其同事從一開始就沒有把目標放在特殊的傳感器上，而是將研究的重點放在了系統的微型化、集成技術和能源管理等方面 ^[2]  。

事實上“智能塵埃”的發展並不是一個單獨的研究項目，與其他技術的發展有着非常密切的關係。在製造工藝上，英特爾的90納米技術將為智能塵埃尺寸的進一步縮小和功能的提升提供了可能性；在功能模塊上，另一個熱門的研究MEMS(微型機電系統)也已經被應用於智能塵埃；此外，像UWB(超寬帶)技術標準的開發也會影響智能塵埃的發展，因為，UWB可以使用更低的功耗實現更高的無線傳輸帶寬。根據英特爾專家的介紹，智能塵埃面臨最具挑戰性的技術難題之一是如何在低功耗下實現遠距離傳輸 ^[3]  。

英特爾每年的研發費用高達幾十個億，許多財力都應用在實際產品的開發上。但這一次打上鳥兒的主意，跟他的研究重點――芯片技術似乎是“風馬牛不相及”。 ^{[3]  [6]} 

從海燕到“智能塵埃”

英特爾會“牽涉”到大鴨島監控項目的研究。主要是因為在緬因州海岸的一個叫大鴨島的小島上，有一種極小的白腰叉尾海燕生活在洞穴中，以躲避外蜀極其惡劣的環境。由於環境極其惡劣，加上這些海燕十分機警，研究人員無法採用通常的定鳥跟蹤觀察方法，在不打擾它們和避免這種多風暴又極冷的惡劣環境的情況下，大西洋大學的研究人員不知道怎樣才能獲得這些海燕的數據。這些巴掌大的食蟲海鳥及其研究正是英特爾苦心鑽研的一種新式武器的現身説法。 ^{[1]  [6]} 

正當他們在四處尋找另外一種研究海燕的辦法時，大西洋大學的校友、現任英特爾研究員Alan Mainwaring得知此事後，想到了解決辦法，那就是被稱為《商業週刊》稱為未來四大技術之一的網絡傳感器。網絡傳感器的研發，使得這些大鴨島上的海燕能像擁有電腦人們一樣，可以自誇地説自己也有“Intel inside”。 ^{[3]  [6]} 

網絡傳感器是技術小型化的必然結果，英特爾的網絡傳感器原型產品是基於大量使用的PXA255集成處理器模塊，使用802.11或以太網技術把傳感器和IP網絡連接在一起，外形也很小。而用來感知真實物理世界的則是隻有幾十克重的個人傳感器節點(individual sensor node)，包括StrongARM處理器和藍牙技術，被稱為iMote(智能塵埃)的無線網絡調查平台。儘管從肉眼看來，一個一立方毫米甚至更小的智能沙粒與沙子沒多少區別，但它卻有傳感器、處理器、電池、網絡連接裝置、存儲單元等一系列在電腦裏才會看到的功能模塊。而微型CPU只能實現部分功能。個人iMote能方便拿在手上，有一層白色的塑料保護膜，像管子附件，使用時擰開塑料帽即可。2002年夏，研究人員把許多被稱為“塵埃”的很小的監控裝置裝到了有海燕巢的洞穴中，通過網絡傳感器監測氣温、風力、鳥兒的活動來進行生物學研究。僅僅三個月，人員就收到300萬條信息。公司表示，一旦這些數據核對完，就會將它轉移到惟一的iMote系統中 ^{[3]  [6]}  。

網絡傳感器能夠讓現實世界以數字化的視角，它允許精確的追蹤庫存並最終制造出更加多功能的數碼產品。與iMote類似，英特爾開發的個人服務器包含有藍牙和無線網絡連接。與iMote不同的是，個人服務器有1GB的CompactFlash內存 ^{[3]  [6]}  。

和印象中的那些又黑又大的笨重傢伙不同，個人服務器只有煙盒大小，能很方便地放進口袋或皮包中。每個人的個人服務器能夠實時收集所有參與中心服務器事件以及與之進行通信的相關信息。可以訪問信息站對所有相關信息進行過濾，以便快速給人們提供所需要的信息。個人服務器要收集信息，或者把信息傳到顯示器上顯示，首先要檢查是否有相應的網絡和設備配合，才能使用SensorNetworks(網絡傳感器)。英特爾表示，這是將個人計算推向極致的產品，可以滿足無所不在的計算應用：如果帶着個人服務器，身邊的任何電腦都可以變成自己的電腦，甚至連桌面設置都和自己的完全一樣；可以在任何一台ATM機上查詢自己的消費清單；在機場的顯示器上核對自己的日程表；把任何一部電話的快撥鍵變成電話號碼，甚至可以在平時路過一家商場時得到它的打折信息…… ^{[3]  [6]} 

業界認為，如果英特爾能明顯提升其安全性能，這個極小的服務器將是最好的個人數碼產品。英特爾表示還將把這樣的“智能塵埃”整合到手機中去，到時候，人們出門可以連筆記本電腦都不帶，而計算已無所不在 ^{[3]  [6]}  。

在20世紀最初的幾年中，智能塵埃曾經是科技界時髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷聲匿跡。究其原因，倒不是因為研究方向出現問題，而是即便以今天的技術工藝水平而論，要將傳感器、模擬/數字電路、通信乃至電源全部封裝在1mm3的空間中，仍然是個艱鉅的挑戰 ^[2]  。

雖然智能塵埃具有極廣泛的應用前景，而且研究人員和商業開發者們都渴望智能塵埃技術能積極推廣應用，但當前仍存在着若干技術難題，如尺寸問題和供電問題需要儘快解決。技術還沒有成熟，廣泛應用估計還需要幾年時間 ^{[4]  [6]}  。

研究者們在將MEMS與其他電子器件集成到單一芯片的過程中遇到了嚴峻的挑戰。研究者們的目標是如何將5mm級的微塵芯片縮小到1mm。卡內基梅隆大學MEMS實驗室的聯合創始人之一Fedder試圖利用最新的製造工藝與最先進的設計技術解決這些難題，但要取得突破還有大量的工作要做。而且這需要傑出的、具有超凡的攻關能力的設計工程師來把所有功能集成到單一芯片內。研究者們一直在努力開發先進的設計工具以幫助工程師們最終完成這項艱鉅的研究任務。由於研究者們認識到智能塵埃技術必將獲得廣泛應用，並對人類社會產生重大影響，辛勤工作的價值即在於此。這也是美國國防高級研究計劃局於1998年便對加州大學伯克利分校該項技術的研究進行資助的原因 ^[5]  。

如何對這些極小的微型機械進行供電是當前設計者們所面臨的另一個棘手難題。當前這些系統的測試或應用都要靠微型電池供電。比較理想的情況是，未來能隨意部署這些無線微塵器件，而無電能之憂。部分研究者們致力於開發所謂的低功耗專用佈線協議，以便能用最少的能量實現微塵之間的信息傳輸。過去兩年裏，加州大學伯克利分校、麻省理工學院和加州大學已經開始對這樣的能源供給問題展開了研究。還沒有找到一個一攬子解決方案，但無線智能塵埃的供電和尺寸兩個問題都可望有所突破。在尺寸方面，兩年內有可能把幾個功能半導體集成到一個半導體上。至於供電問題，加州大學伯克利分校Shad Roundy研究的燃料電池可延長智能塵埃器件的工作時間。該燃料電池可以吸收周圍工業機械設備振動時所產生的能量，或者從低度光源收集能量，這種技術有望在幾年內有所突破 ^[5]  。