Krisas Pisteris norėtų
padengti visą pasaulį dulkėmis. Jo įkurtai
kompanijai Dust ("dulkės") tai daryti
sekasi visai neblogai. Šalia Pisterio kabineto Berklyje (Kalifornijos
valstija) sukrautos tuščios kartoninės
dėžės, kurios tuoj bus pripildomos dulkių
ir išsiuntinėjamos įvairiausiais adresais.
Aišku, šiose dėžėse bus ne
įprastinės dulkės. Tai bus "gudriosios
dulkės" - mažyčiai, nebrangūs ir
labai protingi bevieliai sensoriai, galintys susisiekti vienas su kitu, sudaryti
autonomiškus tinklus ir stebėti beveik viską: temperatūrą, žmonių
buvimą, transporto srautus ar netgi tai,
kokią žalą paukščių kolonijoms padarė
ką tik įvykęs žemės drebėjimas.
Krisleliai, angliškai
"motes", kuriuos dabar gamina Berklio
universiteto mokslinės laboratorijos, yra vos ryžio grūdelio dydžio. Ateityje
jiems nebereikės baterijų, nes
reikalingą energiją jie pasiims iš aplinkos.
Pakaks juos paskleisti, ir bus sukurtas tinklas tylių, nematomų sargų,
kurie registruoja ir perduoda apie savo aplinką surinktą informaciją.
Vieni sako, kad gudriosios dulkės sukurs visuotinio stebėjimo
košmarą, bet kiti tvirtina, kad tik taip
bus galima išgelbėti mūsų planetą.
Pisterio vizija yra kur kas platesnė. Jis mano, kad gudriosios dulkės gali,
tikrąja to žodžio prasme, apraizgyti
Žemę tinklu ir sudaryti dar vieną
infrastruktūros sluoksnį, jungiantį Internetą
ir fizinį pasaulį.
Pisteris yra Berklio universiteto profesorius, šiuo metu bandantis
padėti įsitvirtinti savo įkurtajai
kompanijai Dust. Pirmą kartą apie
bevielių sensorių sukūrimą jis pradėjo
galvoti dešimtojo dešimtmečio viduryje.
Jis pamanė, kad tokius sensorius
būtų galima paskleisti visur, kur kitokie
informacijos rinkimo būdai sunkiai pritaikomi. Pisteris buvo įsitikinęs,
kad tokius sensorius įmanoma
sumažinti iki tarkim kubinio milimetro
dydžio, ir kreipėsi pagalbos savajam
projektui į DARPA, Pentagono mokslinį
padalinį. "Aš pavadinau juos
"gudriosiomis dulkėmis"tiesiog juokai,
nes tuo metu visi tik ir kalbėjo apie gudrias bombas, gudrius namus ir
gudrius greitkelius", - sako Pisteris.
Šiaip ar taip, DARPA nutarė finansuoti projektą, ir pavadinimas
prilipo. Kartu su savo bendradarbiais Pisteris pagamino pirmuosius
bandinius. Jis sugalvojo ir juos
apibūdinantį "krislelio" terminą, kuris nuo to
laiko yra visuotinai taikomas bevielių sensorių apibūdinimui. Šiuose
prototipuose buvo mikroprocesorius, dvipusis radijo ryšys ir šviesos sensorius.
Kitos kartos krisleliai buvo gerokai sudėtingesni. Juose buvo
interfeisas, leidžiantis prisijungti įvairius
sensorius, pavyzdžiui, magnetometrus ar barometrus. Po to atsirado dar
mažesni ir dar galingesni krisleliai, pavadinti Mica. Nuo 2001 m. spalio
mėnesio jie yra gaminami ir pardavinėjami. Mica yra kiek didesnis už
degtukų dėžutę. Jį maitina dvi AA
baterijos, jame gali būti iki aštuonių
skirtingų sensorių.
1 pav. Krislelių bandymas.
Nors toks dydis dar nepateisina "dulkių" vardo, krisleliai Mica jau
parodė daug stipriųjų naujosios
koncepcijos pusių. Iš jų sudarytas tinklas
gali, pavyzdžiui, operatyviai patikrinti, ar saugu įeiti į po žemės
drebėjimo išlikusius stovėti pastatus.
Dideli pastatai ir dangoraižiai po žemės drebėjimų paprastai ilgam
uždaromi ir žmonės į juos įleidžiami
tiktai po to, kai bus atlikti kruopštūs
saugos bandymai. Šis procesas kainuoja labai daug ir gali užtrukti
mėnesius. Pakanka prie kiekvieno svarbesnio konstrukcinio elemento pritvirtinti
po krislelį su vibracijas
registruojančiu akselerometru, ir bus galima
greitai suskaičiuoti, kiek visa
konstrukcija buvo kratoma drebėjimo metu.
Išmatavę, kiek konstrukciniai elementai pajudėjo vienas kito atžvilgiu,
sensoriai gali nustatyti ir visos struktūros tvirtumą ir iškart pasakyti kokia
žala yra padaryta kiekvienoje pastato vietoje.
Jei reiktų tik sukurti ir
paskleisti mažyčius sensorius, viskas būtų
gana paprasta. Tačiau problema kur kas sudėtingesnė už paprastą
duomenų siuntimą skaičius graužiančiam
kompiuteriui. Viena vertus, sensorių skaičiui didėjant, kompiuteris greitai
nebepajėgtų susidoroti su
plūstančiais duomenų srautais. Kita vertus,
jeigu krisleliai nuolatos siųstų savo
matavimų rezultatus, jų baterijos greitai
išsikrautų. Galimas sprendimas - inteligentiški krislelių tinklai,
sugebantys preliminariai apdoroti duomenis ir
išorėn pasiunčiantys svarbiausią
informaciją apie, pavyzdžiui, statinio
konstrukcijos tvirtumą.
Bet tada būtina, jog gudriosios dulkės išties taptų gudriomis. Jų
tinklo širdis yra labai naujoviška programinė įranga. Kiekvienas krislelis
turi savo operacijų sistemą (OS). Ji
yra taip vykusiai sudaryta, kad OS pakanka nedidelės krislelio
mikroprocesoriaus atminties. Jei naujausioms Windows versijoms reikia ne mažiau
negu 100 megabaitų, krislelio OS pakanka vos 8 kilobaitų. Ta
operacijų sistema buvo pavadinta TinyOS.
TinyOS yra atvirojo kodo įranga, todėl ją kuriant dabar
dalyvauja gausus programuotojų būrys iš
viso pasaulio. Operacijų sistema privalo efektyviai valdyti aparatūrinės
įrangos resursų paskirstymą. Krislelio
atveju tokia įranga yra prie jo prikabinti sensoriai, radijo ryšio su kitais
krisleliais jungtis ir maitinimo šaltinis. TinyOS privalo atlikti savo darbą,
sunaudodama kuo mažiau energijos, nes krislelis su išsekusiomis
baterijomis bus nedaug naudingesnis už (įprastinę) dulkę.
Programai tai pavyksta, nes ji didžiausią laiko dalį "miega". Tuo
metu beveik visi komponentai, išskyrus sensorius, yra budėjimo režime.
TinyOS pabunda, sakykime, kartą per sekundę, po to 50 milisekundžių
renka sensorių rodmenis ir 10 ms
užtrunka, apsikeisdama duomenimis su kaimyniniais krisleliais. Nors šiaip
žiūrint atrodo, kad krislelis veikia
visąlaik, iš tikrųjų jis miega net 99
proc. laiko.
Siekiant dar labiau sutaupyti energiją, TinyOS naudoja
"daugiašuolį tinklą". Įsivaizduokite
teritorijoje paskleistus šimtus krislelių,
stebinčių dirvos drėgmę. Su bazine
stotimi - pavyzdžiui, nešiojamuoju kompiuteriu - susisiekia ne visi
krisleliai, o tiktai tie, kurie yra arčiausiai jos.
Tie "pirmojo lygmens" krisleliai
vėliau susisiekia su kitais, nutolusiais nuo
jų tam tikru nuotoliu, ir sudaro
antrąjį sluoksnį. Šis procesas tęsiasi tol,
kol atsiranda daugelio pakopų tinklas. Kiekvienas krislelis susiranda patį
geriausią maršrutą, kuriuo reikia
pasiųsti savo duomenis pirmojo lygmens krisleliams, todėl žinutė pasiekia
bazinę stotį per patį mažiausią
šuolių skaičių.
Toks perdėtas dėmesys energijos taupymui davė gerų vaisių:
krisleliai sunaudoja tūkstantį kartų
mažiau energijos už standartinius bevielio
ryšio prietaisus, pavyzdžiui, mobiliuosius telefonus. Krislelio baterijos
gali pakakti nuo 1 iki 10 metų - priklauso nuo to, kam jis bus naudojamas.
TinyOS privalumai nėra tik ilgesnė baterijos gyvavimo trukmė.
Operacijų sistemos sugebėjimus geriausiai iliustruoja eksperimentas,
kurį Pisteris ir jo kolegos Kalifornijoje esančioje karinėje bazėje
pademonstravo savo užsakovams iš DARPA. 2001 m. kovo mėnesį jie įrengė
šešiuose krisleliuose po
magnetometrą, įvyniojo juos į polistirolą ir
pasiuntė nepilotuojama skraidykle. Skraidyklė nulėkė išilgai kelio 50 m
aukštyje, 50 km/h greičiu ir išmėtė krislelius
20 m atstumu nuo kelio. Jų tikslas buvo stebėti tankų ir kitų karinių
mašinų judėjimą keliu.
2 pav. "Gudriųjų dulkių" kūrėjai pasiūlė keletą krislelių judėjimo būdų.
Vos nukritę ant žemės
,krisleliai susisiekė vienas su kitu, sudarė
bevielio ryšio tinklą ir susinchronizavo
savuosius laikrodžius. Kai tik pro
šalį važiuodavo tankas, jis
iškraipydavo Žemės magnetinį lauką, o
krisleliai tai kruopščiai užregistruodavo. Po
to jie palygino tarpusavyje matavimų duomenis, suskaičiavo tanko
judėjimo kryptį ir greitį ir visus šiuos
duomenis įrašė atmintyje. Kai po
valandos skraidyklė vėl pralėkė tuo
pačiu maršrutu, krisleliai pasiuntė
rezultatus joje esančiam kompiuteriui. Eksperimentas buvo labai sėkmingas.
Liepos mėnesį Berklyje buvo pademonstruota dar sudėtingesnė
tos pačios karinės paskirties versija,
skirta priešo padalinių judėjimui
sekti. Šimtas krislelių buvo paskleista
kvadratiniu tinklu, kuriame du krislelius skyrė 18 m. Tik pačiuose tinklo
kampuose esantys krisleliai žinojo savo tikslią padėtį. Kiti krisleliai
nustatė savo koordinates, naudodami ultragarso signalus ir sudėtingą
algoritmą. Po to į tokio tinklo vidų buvo
įvairuotas nedidelis radijo bangomis valdomas automobilio modelis.
Pasinaudodami savaisiais magnetometrais, krisleliai sekė modelio judėjimą,
nustatinėjo jo padėtį ir pasiųsdavo
informaciją apie tai kitam modeliui, kuris
po to sugebėjo sekti radijo bangomis valdomą modelį. Visa tai buvo
atliekama realiame laike.
TinyOS sudaro galimybę nesunkiai perprogramuoti tuos pačius
krislelius kitų užduočių atlikimui.
Programa pakeičiama irgi naudojant bevielį ryšį. Pakanka surašyti programą
ir pasiųsti ją artimiausiam krisleliui.
Jis pakeis savo programą ir po to
pasiųs naujas instrukcijas savo kaimynams. Programa kaip virusas pati pasklis
tinklu ir po 30 sekundžių visi
krisleliai jau bus pasiruošę vykdyti naują
užduotį.
3 pav. Naujausios "gudriosios dulkės" yra 2,5 mm diametro.
Nors gudriosiomis dulkėmis labiausiai domisi kariškiai,
civiliniame gyvenime jos irgi turi didžiulį
potencialą. Steve Glaseris iš Berklio
universiteto ruošiasi pasitelkti krislelius, kad padėtų miškų gaisrus
gesinantiems ugniagesiams. "Kiekvienas gaisras sukuria savo specifinį
mikroklimatą, ypač vėjus", - sako
Glaseris. "Kartais ugnis vėl įsižiebia už
ugniagesių ir jie atsiduria apsuptyje".
Glaseris planuoja iš sraigtasparnio paskleisti krislelius gaisro apimtoje
miško teritorijoje. Krisleliai matuotų temperatūrą, barometrinį slėgį,
oro drėgmę, šviesą ir vėjo greitį.
Kiekviename iš šių krislelių taip pat bus
po GPS imtuvą, todėl jie galės tiksliai
nustatyti savo padėtį. Kaip ir
anksčiau aprašytame eksperimente,
krisleliai persiųs savo nustatytus duomenis
virš miško skrendančiam
sraigtasparniui. Iš ten duomenys pateks į
valdymo centrą, kur bus sulyginti su
informacija apie vietovės augmeniją ir jos
topografiją ir padės prognozuoti tolesnį gaisro plitimą. Gudriosios
dulkės ateityje gali gerokai sumažinti su
miško gaisrų gesinimu susijusius pavojus.
O šiuo metu gudriosios dulkės jau sklinda visame pasaulyje.
Glaseris, kartu su Chiku Tanimoto iš Osakos universiteto Japonijoje
pradėjo instaliuoti krislelius 1800 km į
vakarus nuo Pekino esančiose Dunhuango olose. Šiose olose atrastus
1600 metų senumo piešinius gadina
sūrūs gruntiniai vandeniai, o krisleliai
stebės drėgmę ir šviesos
intensyvumą. Šie duomenys padės
konservatoriams iš Los Angeles esančio Getty
muziejaus restauruoti ir išsaugoti
piešinius bei nustatyti, pavyzdžiui, kaip
geriausiai ventiliuoti olas.
Visi šie krisleliai dar yra palyginti dideli,
kaip degtukų dėžutės
dydžio Mica krisleliai, bet kai kurioms užduotims,
tokioms kaip olų stebėjimas ar pastatų sužymėjimas
potencialioje žemės drebėjimo zonoje, toks dydis yra
kaip tik. "Dydis yra santykinis dalykas", - sako
Glaseris. "Jeigu krislelis bus labai mažas, palikęs jį
pastate niekuomet vėliau neberasi". Bet atsiranda
daug naujų užduočių, kurioms
reikalingi krisleliai, kuriuos jau tikrai galima
pavadinti "dulkėmis".
G. Hillas savo daktaro disertacijoje sukonstravo plokščią,
keturkampį krislelį, kurio matmenys yra
tik 2x2,5 mm. Jo prototipą pagamino mikroelektronikos kompanija
National Semiconductors. Nors šiems prietaisams vis dar reikia išorinės
antenos ir maitinimo šaltinio, Panasonic jau gamina milimetrų dydžio
baterijas, kurios tam puikiai tiks.
Bet baterijų galbūt pavyks ir
visai atsisakyti. Miniatiūriški
krisleliai gali semtis sau reikalingos energijos iš šviesos (dirbtinės ir
natūralios), elektros perdavimo linijų
spinduliuojamų magnetinių laukų ir netgi
beveik nejuntamų vibracijų. Paulas
Wrightas iš Berklio universiteto sukūrė
mažyčius prietaisus, galinčius iš silpnų
vibracijų, kurios egzistuoja pastatuose, siurbliuose, ventiliacijos kanaluose
ar net mikrobangų krosnelėse, pagaminti iki 200 mikrovatų galios
elektros energiją. Visų šių šaltinių
keliamos vibracijos keičia talpą tarp
prietaisuose esančių sulenktų
pjezolektriko juostelių ir silicio kristalo pagrindo
ir sukuria naudingą elektros įtampą.
Tuo tarpu vis mažėjančios
gudriosios dulkės kelia susirūpinimą
dėl mūsų privatumo išsaugojimo. Ar
tai netaps tikra Didžiojo brolio technologija? Kai kurie Mica krisleliai
jau dabar yra apginkluoti mikrofonais, o mokslininkai jau kuria ir jiems
skirtas vaizdo kameras. Deborah Estrin iš Kalifornijos universiteto Los
Angeles, kurianti gudriosioms dulkėms skirtą programinę įrangą, sako,
kad žmonės privalo susirūpinti
privatumo problemomis. "Tam prireiks
nemažo dėmesio ir konkrečių teisinių ir
įstatyminių priemonių", - sako Estrin.
Pisteris sutinka, jog gudriosios dulkės kelia nerimo dėl
privatumo, bet jis prieštarauja tiems, kurie
mano, kad krisleliai gali užteršti aplinką. Net jeigu vienu metu
paleistume į orą milijardą krislelių, jų tankis
nepakenktų niekieno sveikatai. "Tankis būtų lygus vos
vienam krisleliui kubiniame kilometre. Jums tektų labai
ilgai vaikščioti, kol pavyktų įkvėpti bent vieną krislelį",
- sako Pisteris. "O jeigu taip ir nutiktų, tai nebūtų
nemaloniau nei netyčia prarijus mašalą. Atsikosėtumėt ir
iškart jį išspjautumėt".
Nors ginčai dėl
gudriųjų dulkių keliamo pavojaus
vis dar tęsiasi, aišku, kad ši technologija jau skinasi kelią į
gyvenimą.