纳米技术:下一个物联网大变革

winniewei 提交于 周三, 05/29/2019
纳米技术:下一个物联网大变革

作者:贸泽电子Mark Patrick

由于我们现在能够记录越来越准确的数据,并对其进行越来越自动化的分析,物联网(IoT)、工业物联网(IIoT)和工业4.0等领域的应用正在持续扩展。软件,算法和机器学习等方面的进步意味着现在可以使传感器网络大部分时间能够独立运行,只有在系统检测到问题并通知操作员时才需要人工输入。

这些复杂的传感器网络及其相关的数据处理能力可用于从智能建筑到制造等所有领域,通过分析传感器的数据输入,并将其与历史数据进行比较,这些传感器网络能够使环境或流程自动地对自身优化。在许多行业,这种自动化水平实现了效率的真正提高。

进入纳米技术时代

对于很多人来说,提到物联网时首先想到的并不是纳米技术,但它的确已经在帮助推动物联网数据优化,未来可能会出现更多商业用途,特别是涉及传感器和用于数据交换的网络等方面。下面让我们来看看它对这两个领域的影响。

改善物联网核心的传感器

物联网、工业物联网和工业4.0的核心是收集信息的传感器,正是在传感器方面纳米技术可以发挥最大的作用,并能够提高这些传感器的初始测量精度。软件和数据分析技术一直在不断发展,这意味着系统能够处理来自高精度传感器的更大量数据。当然,初始数据读取精度越高,整个连网系统就越精确。

通过在传感技术中使用纳米材料而实现更高的效率已经得到充分证明。纳米材料传感器具有更小尺寸,特别是在使用石墨烯等2D材料时,可以提供更大的表面积用于感测环境的变化。

当然,这里有许多类型的传感机制,其中有些是很遥远(remote),其他则通过分子吸收或响应物理变化来工作。最重要的是,纳米材料可以使这些传感机制更有效率,这包括测量远处的光学变化,表面上吸附的原子,或者被压缩、拉伸或弯曲等。选择合适的纳米材料可以完成其中之一甚至所有这些任务。

这些材料具有高电导性和高电荷载流子迁移率,因而导致材料具有更高灵敏度。当用于检测某些对象时,传感机制会改变纳米材料的电导率,然后可以对其进行测量。通过使用具有特定水平电导率和载流子迁移率的纳米材料,可以实现极高水平的传感器灵敏度,即使材料电导率的微小变化也会触发可检测的响应。

IoNT技术介绍

以上并不是纳米技术可以对物联网和IIoT产生巨大影响的唯一领域。它还可用于创建物理网络,使数据能够通过在纳米级别进行通信的组件进行交换。这个概念被称为纳米物联网(IoNT)。虽然它在开发方面还不像物联网的其他方面那样成熟,但已经引起了很多人的兴趣,其中包括医疗和通信行业,一些应用案例包括需要遥感技术的现场应用(field-based applications),或测量人体内的不同点。

IoNT如何工作?

IoNT由多个组件组成,这些组件通常以两种方式之一进行通信:通过分子通信(其中信息被编码到分子)或电磁纳米通信(其中数据通过电磁波传输)。

用于传输信息的组件本身可分为四大类:纳米节点,纳米路由器,纳米微接口设备和网关。

纳米节点是最小和最简单的组件,并被视为基本纳米机器。它们可以传输数据并执行基本计算,但是由于其尺寸大小和能量限制,它们只有少量内存,并且在传输数据的距离方面也有局限性。但是,可以将纳米节点放在给定位置,并将其数据发送到附近的纳米路由器,然后该路由器能够在更远的距离上传输数据。这意味着纳米节点可以经常用作系统的传感器组件。

纳米路由器是一种功能更强大的纳米机器,它能够聚合来自多个纳米节点的数据,控制这些节点之间的交换指令,并将数据传输到纳米微接口设备。接口设备又依次聚合来自多个纳米路由器的数据,并通过纳米通信和/或传统网络协议将其继续发送到微结构(microscale)。最后,网关形成整个系统的控制器,并使信息能够通过互联网访问。

纳米技术:大有可为

随着物联网、工业物联网和工业4.0的持续快速增长,我们可能会面临这样的需求:数据感测需要更加精确,而信息传输则需要通过比目前更小的架构进行。在这一点上,我们会看到市场对于纳米技术和IoNT设备的需求急速提升。当今世界各地的工程师正在进行的基础工作将有助于确保纳米技术能够满足这一需求。

相关文章

Digi-Key