将纳米技术融入物联网
作者 | 碉堡说2022-01-11

长期以来,物联网 (IoT) 范式一直被认为是第四次工业革命的关键动力,有可能改变我们的生活方式。 然而,通过整合纳米技术,它的影响有望进一步增强。

将纳米技术融入物联网

物联网是一个相互关联的物理对象系统,其中嵌入了传感器、天线、处理器、软件和其他技术,以支持通过互联网进行相关数据交换。从药丸到制导导弹,这些设备的应用范围非常广泛,而且看起来还会不断扩大。预计 2025 年物联网连接设备的数量将达到 750 亿台,生成的数据可能达到数十甚至数百 亿GB。

促进这种实质性预测的是使能技术(包括云计算和大数据分析)和各种通信模式(称为物联网协议)的发展。这些协议支持端点设备之间的数据交换,例如传感器和连接环境中的下一个硬件。它们包括用于短距离的蓝牙、Wi-Fi、ZigBee 和近场通信 (NFC)、用于长距离的低功耗广域 (LPWA) 和 5G。

可以说,最引人入胜的发展之一在于纳米技术的整合。这有望通过纳米设备最大限度地扩展物联网概念,并产生全新的物联网衍生产品,即纳米物联网 (IoNT)。

纳米器件

在物联网设备中采用纳米材料可以利用其卓越的特性来增加设备的功能、能源效率和准确性,同时减小它们的尺寸。纳米天线、纳米处理器和纳米电池都是目前正在使用或开发的物联网纳米设备的例子,但在物联网端点内,纳米设备最常用作纳米传感器。

纳米传感器

物联网传感器必须监控传感环境中的特定现象,为后续分析提供相关数据。纳米传感器使用范围广泛的纳米材料来实现这一点,并且能够进行物理、化学和生物监测。

例如,。 (2019) 开发了一种灵活的基于纳米线的传感器,用于实时氨 (NH3) 监测。该传感器开发用于手表型设备,与传统的 NH3 传感器相比,它显示出更低的检测限和更快的响应时间,这主要是由于纳米线具有极高的表面积与体积比。

极低的功耗(低至 3μW)和可扩展的软光刻制造技术进一步支持纳米材料如何切实增强物联网传感器。

在用于连续血糖监测和饮用水中的化学、微生物和其他分析物监测的非侵入性生物传感器中,已经看到了类似的基于纳米的优势。

纳米天线

物联网天线负责通过各种波类型接收、解码和传输信息,从而实现物联网设备的无线通信。纳米天线,通常基于石墨烯,主要通过在太赫兹频段辐射来实现这种功能。

可以预见,它们比传统天线小得多,甚至可以通过使用碳纳米管与纳米传感器进行整合,碳纳米管既可以感知也可以发出信号。

另一个特别令人兴奋的基于纳米的优势可能在于制造技术。 德雷塞尔大学的研究人员开发了一种碳化钛纳米天线,可以通过简单的一步过程直接喷涂到任何刚性或柔性物体上,无需增加任何重量或电路,使任何物体都能快速成为智能物联网设备。

纳米处理器

IoT 处理器必须通过执行适当的计算来处理从 IoT 端点接收的数据。它们主要由硅制成,由数百万(通常是数十亿)晶体管组成,这些晶体管在模拟逻辑功能的门集合中充当二进制开关。

纳米处理器仍然在实验室中,麻省理工学院的工程师团队仅在几年前的 2019 年开发了第一个可编程碳纳米管处理器。 仅由 14000 个晶体管组成,实现碳纳米管在这种功能中更高的效率和速度可能仍然存在还要很多年。

纳米电池

可以预见,智能设备的无线系统具有适合长寿命、高能量密度和可充电电池的显着功率需求。锂离子变体是目前最受欢迎的。

纳米电池在电极或膜中使用纳米材料来降低自放电率、增加能量密度并减少充电时间。

索利曼等人 (2021) 发现碳纳米管、钛酸锂氧化物纳米颗粒和锗纳米线都是已成功利用此效果的纳米材料的例子。

纳米物联网

将所有或部分这些纳米设备整合到现有的物联网概念中被认为会产生纳米物联网。尽管通常被描述为物联网的纳米级版本,但 IoNT 的含义远远超出了简单区分所暗示的范围。

纳米设备的优势,无论是纳米传感器灵敏度的提高还是纳米电池能量密度的提高,都使物联网范式的复杂程度达到了一个新的水平,并促进了其在不断增加的应用中的适用性。

物联网和物联网挑战

随着数十亿传感器收集空前数量的机密数据,隐私和安全问题是广泛采用的关键障碍。在获得对 IoT 和 IoNT 的必要信心之前,都需要适当级别的加密、网络安全协议和身份验证。

如此大量的传感器也引发了对电源的担忧,尤其是考虑到当前电池技术对锂的依赖。

英国芯片制造商 Arm 强调了这个问题,指出要满足预测的 IoT 和 IoNT 应用的电池需求,需要将全球每年的锂产量增加两倍。

IoNT 和物联网未来研究

为了解决 IoT 和 IoNT 面临的剩余挑战,大量的研究已经在进行中。从多层区块链安全模型到基于石墨烯的开关波束纳米天线,未来的研究有望多种多样。

一个解决传感器和纳米传感器电源问题的迷人领域可能已经在能量收集中找到了解决方案,其中能量来自外部来源,然后转换为有用的电能。

再一次,该解决方案的未来很可能牢牢植根于纳米技术。 Phillips (2021) 表明,在其他例子中,压电纳米发电机中的纳米线和热电发电机中的量子点可以完全取代物联网和 IoNT 端点电池,从而在环保和经济上可行的同时实现该技术的大量采用。


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