پارادایم اینترنت اشیا (IoT) مدت‌هاست که انگیزه‌ای کلیدی برای انقلاب صنعتی چهارم با پتانسیل تغییر روش زندگی ما در نظر گرفته شده است. با این حال، تأثیر آن از طریق ادغام فناوری نانو افزایش بیشتری می یابد.
اینترنت اشیا سیستمی از اشیاء فیزیکی مرتبط با یکدیگر است که با حسگرها، آنتن‌ها، پردازنده‌ها، نرم‌افزارها و سایر فناوری‌ها تعبیه شده است تا تبادل داده‌های مربوطه را از طریق اینترنت امکان‌پذیر سازد. از قرص‌ها گرفته تا موشک‌های هدایت‌شونده، دامنه این دستگاه‌ها بسیار گسترده است و به نظر می‌رسد در حال رشد است. پیش‌بینی‌ها برای تعداد دستگاه‌های متصل به اینترنت اشیا در سال 2025 به 75 میلیارد دستگاه با ده‌ها یا احتمالاً صدها زتابایت داده تولید شده به اوج خود می‌رسد.
تسهیل چنین پیش‌بینی‌های اساسی، توسعه فناوری‌های توانمند (از جمله محاسبات ابری و تجزیه و تحلیل داده‌های بزرگ) و حالت‌های مختلف ارتباطی است که پروتکل‌های اینترنت اشیا نامیده می‌شوند. این پروتکل‌ها تبادل داده‌ها را بین دستگاه‌های نقطه پایانی، مانند حسگرها و قطعه سخت‌افزار بعدی در محیط متصل، امکان‌پذیر می‌سازند. آنها شامل بلوتوث، وای فای، ZigBee و ارتباطات میدان نزدیک (NFC) برای فواصل کوتاه، کم مصرف کم مصرف (LPWA) و 5G برای مسافت های طولانی هستند.
مسلماً یکی از جذاب‌ترین پیشرفت‌ها، فناوری نانو است. و این نوید را می‌دهد به طور كامل، مفهوم اینترنت اشیا را از طریق نانودستگاه‌ها، گسترش دهد و یک مشتق کاملاً جدید اینترنت اشیا، اینترنت اشیاء نانو (IoNT)را به وجود آورد.
نانو دستگاه ها
استفاده از نانومواد در دستگاه‌های اینترنت اشیا می‌تواند از ویژگی‌های استثنایی آنها برای افزایش عملکرد، کارایی انرژی و دقت دستگاه‌ها و در عین حال کاهش اندازه آنها استفاده شود. نانوآنتن‌ها، نانوپردازنده‌ها و نانو باتری‌ها همگی نمونه‌هایی از نانودستگاه‌های اینترنت اشیا هستند که در حال حاضر مورد استفاده یا توسعه قرار می‌گیرند، اما در نقاط پایانی اینترنت اشیا، نانودستگاه‌ها بیشترین کاربرد را به‌عنوان حسگر نانو پیدا کرده‌اند.
نانو حسگرها
حسگرهای اینترنت اشیا باید پدیده‌های خاص را در محیط‌های حسگر نظارت کنند تا داده‌های مربوطه را برای تجزیه و تحلیل بعدی ارائه دهند. نانوحسگرها از طیف وسیعی از نانومواد برای دستیابی به این هدف استفاده می‌کنند و قابلیت پایش فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی را دارند.
برای مثال، تانگ و همکاران (2019) یک حسگر منعطف مبتنی بر نانوسیم برای نظارت بر آمونیاک در زمان واقعی (NH3) ایجاد کرد. این حسگر که برای استفاده در دستگاه‌های ساعتی ساخته شده است، محدودیت تشخیص کمتر و زمان پاسخ سریع‌تری را نسبت به حسگرهای سنتی NH3 نشان می‌دهد که عمدتا به دلیل نسبت سطح بسیار بالای نانوسیم‌ها به حجم است.
مصرف انرژی بسیار کم (به اندازه 3μW)و تکنیک ساخت لیتوگرافی نرم مقیاس پذیر بیشتر از چگونگی عملکرد نانومواد برای افزایش واقعی حسگرهای اینترنت اشیا پشتیبانی می کند.
مزایای مشابه مبتنی بر نانو برای حسگرهای زیستی غیر تهاجمی برای پایش مداوم قند خون و برای نظارت بر مواد شیمیایی، میکروبی و سایر آنالیت‌ها در آب آشامیدنی دیده شده است.
نانوآنتن ها
آنتن‌های اینترنت اشیا با دریافت، رمزگشایی و ارسال اطلاعات از طریق انواع امواج، وظیفه ارتباط بی‌سیم دستگاه‌های اینترنت اشیا را بر عهده دارند. نانوآنتن‌ها، اغلب مبتنی بر گرافن، عمدتاً با تابش در باند فرکانس تراهرتز، چنین عملکردی را به دست می‌آورند.
آنها به طور قابل پیش بینی بسیار کوچکتر از آنتن های سنتی هستند و حتی می توانند با نانوحسگرها با استفاده از نانولوله های کربنی که هم می توانند حس کنند و هم سیگنال بدهند، تجمیع شوند.
یکی دیگر از مزیت‌های هیجان‌انگیز مبتنی بر نانو می‌تواند در روش ساخت نهفته باشد. محققان دانشگاه Drexel یک نانوآنتن تیتانیوم کاربید ساخته‌اند که می‌تواند مستقیماً روی هر جسم، سفت یا انعطاف‌پذیر، در یک فرآیند ساده و بدون اضافه کردن وزن یا مدار اسپری شود و هر شی را قادر می‌سازد تا به سرعت به یک دستگاه اینترنت اشیا هوشمند تبدیل شود.
نانوپردازنده ها
یک پردازنده اینترنت اشیا باید با انجام محاسبات مناسب، داده های دریافتی از نقاط انتهایی اینترنت اشیا را پردازش کند. آنها عمدتاً از سیلیکون ساخته شده‌اند و متشکل از میلیون‌ها، اغلب میلیاردها، ترانزیستور هستند که به‌عنوان سوئیچ‌های دوتایی در مجموعه‌ای از گیت‌ها که عملکردهای منطقی را تقلید می‌کنند، عمل می‌کنند.
نانوپردازنده‌ها تا حد زیادی در آزمایشگاه باقی می‌مانند، با تیمی از مهندسان MIT که اولین پردازنده نانولوله‌های کربنی قابل برنامه‌ریزی را تنها چند سال پیش در سال 2019 توسعه دادند. متشکل از تنها 14000 ترانزیستور، با درک بازده و سرعت بیشتر نانولوله‌های کربنی در چنین عملکردی ممکن است هنوز سال های زیادی باشد
نانو باتری ها
به طور قابل پیش بینی، یک سیستم بی سیم از دستگاه های هوشمند دارای نیازهای انرژی قابل توجهی است که برای باتری های با عمر طولانی، تراکم انرژی بالا و باتری های قابل شارژ مناسب است. انواع لیتیوم یون در حال حاضر محبوب ترین ها هستند.
نانوباتری‌ها از نانومواد در الکترودها یا غشاء استفاده می‌کنند تا میزان تخلیه خود را کاهش دهند، چگالی انرژی را افزایش دهند و زمان شارژ را کاهش دهند.
سلیمان و همکاران (2021) دریافتند که نانولوله‌های کربنی، نانوذرات اکسید لیتیوم تیتانات و نانوسیم‌های ژرمانیوم همگی نمونه‌هایی از نانومواد هستند که به طور موفقیت‌آمیزی در این زمینه استفاده شده‌اند.
اینترنت اشیا نانو
در نظر گرفته می‌شود که ترکیب همه یا برخی از این نانودستگاه‌ها در مفهوم اینترنت اشیا موجود باعث ایجاد اینترنت اشیاء نانویی شود. اگرچه معمولاً به عنوان یک نسخه در مقیاس نانو از اینترنت اشیا توصیف می شود، مفاهیم IoNT بسیار فراتر از آن چیزی است که توسط تمایز ساده پیشنهاد می شود.
مزایای نانودستگاه‌ها، چه افزایش حساسیت نانوحسگرها و چه افزایش چگالی انرژی نانو باتری‌ها، سطح جدیدی از پیچیدگی را به پارادایم اینترنت اشیا می‌دهد و کاربرد آن را در برنامه‌های روزافزون تسهیل می‌کند.
چالش IoNT و IoT
با میلیاردها حسگر که مقادیر بی‌سابقه‌ای از داده‌های محرمانه را جمع‌آوری می‌کنند، نگرانی‌های مربوط به حفظ حریم خصوصی و امنیتی موانعی حیاتی برای جذب گسترده هستند. سطوح مناسب رمزگذاری، پروتکل‌های امنیت سایبری و احراز هویت، همگی قبل از دستیابی به اطمینان لازم در اینترنت اشیا و اینترنت اشیا، مورد نیاز هستند.
چنین تعداد زیادی از حسگرها نگرانی‌هایی را در مورد منبع تغذیه ایجاد می‌کنند، به‌ویژه با توجه به اتکای تکنولوژی فعلی باتری به لیتیوم.
Arm، سازنده تراشه‌های بریتانیا، این مشکل را با بیان اینکه برآورده کردن نیازهای باتری برای پذیرش پیش‌بینی‌شده IoT و IoNT نیاز به سه برابر کردن تولید سالانه لیتیوم در سراسر جهان دارد، برجسته کرد.
تحقیقات آینده IoNT و IoT
برای رسیدگی به چالش های باقی مانده ای که IoT و IoNT با آن روبرو هستند، تحقیقات فوق العاده ای در حال حاضر در حال انجام است. از مدل‌های امنیتی بلاک‌چین چندلایه گرفته تا نانوآنتن‌های پرتو سوئیچ مبتنی بر گرافن، تحقیقات آتی نوید می‌دهد که متنوع و فراوان باشند.
حوزه جذابی که به مسائل مربوط به منابع تغذیه حسگر و نانوحسگر پرداخته است، ممکن است راه حل خود را در برداشت انرژی پیدا کرده باشد، جایی که انرژی از منابع خارجی مشتق شده و سپس به انرژی الکتریکی مفید تبدیل می شود.
بار دیگر، آینده این راه حل احتمالاً به طور محکم در فناوری نانو ریشه خواهد داشت. فیلیپس، (2021) نشان داد که، در میان نمونه‌های دیگر، نانوسیم‌ها در نانو ژنراتورهای پیزوالکتریک و نقاط کوانتومی در ژنراتورهای ترموالکتریک می‌توانند جایگزین باتری‌های نقطه پایانی IoT و IoNT شوند و جذب فوق‌العاده این فناوری را در عین سازگاری با محیط‌زیست و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه ممکن می‌سازند.
های فن تک از شما دعوت می کند نظرات خود را در مورد این مقاله به اشتراک بگذارید