Das neue Internet der Dinge Smart Dust – unsichtbare Augen, die alles erkennen

Anbieter zum Thema

Fsas Technologies GmbH

INFOMOTION GmbH

Das Konzept des Internets der Dinge (IoT), das an alles einen Sensor anheftet und Daten über das Internet an eine Datenbank sendet, ist im Grunde passé. Mit „Smart Dust“ sind Sensoren überall in der Luft und überwachen einfach alles – Temperatur, chemische Substanzen, Feuchtigkeit, Bewegungen, Körperfunktionen und sogar Gehirnwellen.

Smart Dust ist revolutionär, weil die Sensoren winzig klein genug sind, um überall platziert zu werden. Nicht nur in der Luft, sondern auch selbst in engen und schwierigen Bereichen. Ein weiterer großer Vorteil: Diese Geräte sollen auch ohne menschliches Zutun funktionieren, da sie vorprogrammiert sind und trotz ihrer winzigen Größe über eine eigene Stromversorgung mit erstaunlicher Leistung verfügen. Die Zukunftsvision der Technologie bildet ein intelligentes Netzwerk aus Billionen kleinster Sensoren, die kontinuierlich fühlen, schmecken, riechen, sehen und hören, was in ihrer Umgebung vor sich geht. Gleichzeitig kommunizieren sie miteinander und tauschen Informationen aus.

Das Konzept der Technologie von Smart Dust wurde Anfang der 1990er-Jahre im Rahmen eines langwierigen Forschungs- und Studienprojekts von der United States Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und der Research And Development Corporation (RAND) initiiert. In dieses Projekt sind Studien der Defense Advanced Research Projects Agency und Information Science and Technology (ISAT) für militärische Anwendungen der Technologie eingeflossen.

Mögliche Use Cases für Smart Dust

Für das Verständnis von Smart Dust stelle man sich eine Wolke von Sensoren vor, jeder Sensor so groß wie ein Sandkorn oder eher noch viel kleiner, die von Orkanwinden in die Höhe geweht werden und Daten über den Sturm an Wetterstationen weiterleiten. Ein anderer Use Case wäre ein unsichtbares Sensor-Netzwerk, das in die Straßen einer Smart City eingebettet ist, um den Verkehr und die Schäden an der Straßenoberfläche zu überwachen sowie verfügbare Parkplätze zu identifizieren. Natürlich alles in Echtzeit. Oder Milliarden von Nano-Sensoren, die über Wälder und andere feuergefährdete Gebiete verteilt sind, um einen Brand schon im Ansatz zu erkennen. Oder man stelle sich programmierbaren Smart Dust vor, der ein Alarmsignal auslöst, wenn unsichtbare Mikrorisse in einer Turbinenschaufel entdeckt werden.

Funktionsweise von Smart Dust

Netzwerke aus Smart Dust enthalten Knoten (Mote), die Sensorik, Rechenleistung, drahtlose Kommunikationsfähigkeiten und autonome Stromversorgung in einem winzigen Paket mit einem Umfang von wenigen Kubikmillimetern oder sogar weniger kombinieren. Jeder Mote bleibt dabei unbeaufsichtigt, um Umweltdaten wie Licht, Temperatur, Druck, Vibrationen, das Vorhandensein von Giftstoffen etc. zu sammeln und diese Daten drahtlos an größere, entfernte Computersysteme zu übertragen.

In einer industriellen Umgebung leitet beispielsweise Smart Dust Signale an einen Steuerungscomputer weiter, der dann die Daten zusammenstellt, um den Betreibern Feedback zu geben. Oder die Ergebnisse könnten eine automatische Reaktion auslösen, wie zum Beispiel das Herunterregeln der Temperatur eines Gebäudes oder das Reduzieren des Wasserflusses.

Die Technologie basiert auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), die Mikrosystemtechnik genannt wird. MEMS bestehen aus einer beliebigen Kombination mechanischer (Hebeln, Federn, Membranen etc.) und elektrischer (Widerstände, Kondensatoren, Induktoren etc.) Elemente und Komponenten, die als Sensoren oder Aktoren fungieren.

Schon bald werden mit fortschreitenden Fertigungstechnologien auch sogenannte nanoelektromechanische Systeme (NEMS) möglich sein. Auf diese Weise können sich die Partikel unter Verwendung herkömmlicher Silizium-Mikrofabrikationstechniken in einer staubähnlichen Umgebung in der Luft schwebend aufhalten.

Wobei immer kleinere Energiespeicher im Submillimeterbereich für noch kleinere mikroelektronische Bauteile nach wie vor eine große technische Herausforderung sind. Dennoch gelingt es den Ingenieuren, ihre Größe tatsächlich immer weiter zu reduzieren.

Neural Dust im menschlichen Körper

Wissenschaftler entwickelten ein sicheres drahtloses Gerät, das klein genug ist, um in einzelne Nerven implantiert zu werden, das elektrische Aktivität von Nerven und Muskeln tief im Körper erkennen kann und Ultraschall zur Energiekopplung und Kommunikation verwendet. Sie nennen diese Geräte Neural Dust.

Jeder neurale Staubsensor besteht aus nur drei wesentlichen Komponenten: einem Elektrodenpaar zur Messung von Nervensignalen, einem kundenspezifischen Transistor zur Verstärkung des Signals und einem piezo-elektrischen Kristall, der dem doppelten Zweck dient, die mechanische Energie von extern erzeugten Ultraschallwellen in elektrische Energie umzuwandeln sowie dem Übermitteln der aufgezeichneten Nervenaktivität. Und obwohl sie noch nicht vernetzt sind, haben Wissenschaftler bereits die Machbarkeit demonstriert, Computerchips in einzelne Zellen einzusetzen.

Vor- und Nachteile von Smart Dust

Der Einsatz von Smart Dust bietet beispielsweise folgende Vorteile:

• Verbesserung von Sicherheit, Effizienz und Compliance.

• Senkung der System- und Infrastrukturkosten.

• Steigerung der Produktivität.

• Ermöglicht Landwirten ein besseres Zeitmanagement.

• Automatisierung vieler manueller fehleranfälligen Aufgaben, die Kalibrierung und Überwachung beinhalten.

• Optimierte Wartung.

• Router werden durch einen einzigen Smart Dust Chip ersetzt, der alle Funktionen für verteilte Netzwerke übernimmt und viel weniger Strom verbraucht als herkömmliche Netzwerke.

• Knoten können sogar mit GPS-Empfängern ausgestattet werden, um die Bewegungen von Menschen zu verfolgen.

Smart Dust hat auch eine negative Seite. Zu den Nachteilen gehören im Wesentlichen Datenschutzprobleme:

• Die Technologie erkennt selbst die subtilsten Veränderungen und kann registrieren, was sie registrieren möchte.

• Menschen werden diese Technologie als beunruhigend empfinden.

• Obwohl die Preise für die kleinen Chips selbst in den letzten Jahren stark gesunken sind, ist Smart Dust als Technologie immer noch extrem teuer.

• Das Netzwerk kann ohne Autorisierung von Dritten gehackt werden.

Herausforderungen an die Technologie

Zu den größten Herausforderungen, mit denen sich die Wissenschaftler im Moment konfrontiert sehen, gehören der Mangel an ausreichender Leistung bei geringem Platzbedarf und die Schwierigkeiten bei der Integration von Stromversorgungssystemen. Da die Speicherdichte von Batterie-Technologien nicht den Skalierungstrends gemäß dem Mooreschen Gesetz gefolgt ist, müssen sich IoT-Systeme auf die Energieumwandlung aus externen Quellen wie Wärme-, Vibrations-, Licht- oder Funkwellen verlassen.

(ID:48850172)