智能塵埃：無(wú)線傳感網(wǎng)的微縮景觀

為調(diào)查Condor號(hào)宇宙飛船的失蹤，強(qiáng)大的“所向披靡”號(hào)宇宙飛船降落在名為Regis III的星球。船員們?cè)谡{(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)貌似沒(méi)有生命的荒涼星球上，存在著多種具有自治、自修復(fù)能力的微小機(jī)器人。與達(dá)爾文“物競(jìng)天擇”的進(jìn)化論相似，機(jī)器人的進(jìn)化是靠戰(zhàn)爭(zhēng)完成的。戰(zhàn)爭(zhēng)中幸存者往往是群居的昆蟲(chóng)狀納米機(jī)器人。它們平時(shí)對(duì)人無(wú)害而且行為簡(jiǎn)單。而一旦被激怒，它們會(huì)迅速聚集成一個(gè)龐大的“昆蟲(chóng)”云，通過(guò)個(gè)體間的自組織，表現(xiàn)出十分復(fù)雜的行為能力，并發(fā)射強(qiáng)大的電磁輻射浪涌來(lái)?yè)魸⑷肭终?hellip;…

這個(gè)與電影《阿凡達(dá)》類(lèi)似的星球之戰(zhàn)的場(chǎng)景，源自波蘭科幻小說(shuō)大師史坦尼斯勞·萊姆1964年出版的科幻小說(shuō)《所向披靡》(《The Invincible》)。《所向披靡》中有關(guān)納米機(jī)器人的感知、自治、自修復(fù)和群體內(nèi)部通信與自組織的描述，被視為對(duì)智能塵埃最早的暢想。

在本世紀(jì)最初的幾年中，智能塵埃曾經(jīng)是科技界時(shí)髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷(xiāo)聲匿跡。究其原因，倒不是因?yàn)檠芯糠较虺霈F(xiàn)問(wèn)題，而是即便以今天的技術(shù)工藝水平而論，要將傳感器、模擬/數(shù)字電路、通信乃至電源全部封裝在1mm3的空間中，仍然是個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

如今，智能塵埃早已淹沒(méi)在無(wú)線傳感網(wǎng)如雷貫耳的聲浪中，然而不可否認(rèn)的是，智能塵埃不僅是無(wú)線傳感網(wǎng)的源頭，而且，還將成為無(wú)線傳感網(wǎng)的歸宿。

Pister：智能塵埃的發(fā)明人

將萊姆的文字付諸行動(dòng)的是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授Kristofer Pister。Pister本科畢業(yè)于加州大學(xué)圣地亞哥分校應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)后，又在伯克利分校獲得計(jì)算機(jī)、電子學(xué)兩個(gè)碩士學(xué)位和電子學(xué)專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。

跨學(xué)科而又相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)結(jié)構(gòu)為Pister率先將MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)應(yīng)用于智能塵埃并最終成為智能塵埃的發(fā)明人奠定了堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)。

1992年前后掀起了一陣智能熱：智能居室、智能建筑、智能炸彈等等，于是Pister想起了“智能塵埃”這個(gè)詞。而Pister有關(guān)智能塵埃的實(shí)質(zhì)性研究則始于1994年，與此同時(shí)，他還開(kāi)展了相關(guān)硬件平臺(tái)的研發(fā)。

這項(xiàng)得到美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)微系統(tǒng)技術(shù)辦公室MEMS計(jì)劃資助的研究，目的是通過(guò)演示來(lái)證明一個(gè)完整的傳感器和通信系統(tǒng)可以被集成到立方毫米量級(jí)的空間中。由于DARPA的資助范圍并不包括傳感器，Pister與其同事從一開(kāi)始就沒(méi)有把目標(biāo)放在特殊的傳感器上，而是將研究的重點(diǎn)放在了系統(tǒng)的微型化、集成技術(shù)和能源管理等方面。

為了配合Pister的智能塵埃項(xiàng)目，DARPA網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)辦公室(NEST)還資助伯克利分校Jason Hill和David Culler開(kāi)發(fā)超小型操作系統(tǒng)TinyOS。

TinyOS是一種開(kāi)源的、基于構(gòu)件技術(shù)的操作系統(tǒng)平臺(tái)，該研究小組于1999年推出TinyOS的首個(gè)版本。時(shí)至今日，TinyOS依舊是無(wú)線傳感網(wǎng)在嵌入式市場(chǎng)中的首選。

近觀智能塵埃

Pister研究項(xiàng)目的最終目標(biāo)是到2010年7月，在立方毫米量級(jí)上實(shí)現(xiàn)具有自治能力的傳感器系統(tǒng)。具體而言，傳感器采用溫度傳感器或者加速度傳感器;計(jì)算單元由可定制化的混合信號(hào)CMOS ASIC(專(zhuān)用集成電路)實(shí)現(xiàn)，這一專(zhuān)用電路包括模擬I/O、DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)、控制器等功能單元;通信部分由激光二極管構(gòu)成的激光通信發(fā)射系統(tǒng)和激光通信接收系統(tǒng)構(gòu)成;電源部分則由硅光電池、電容器和薄膜電池組成。

1999年7月，Pister演示了一個(gè)體積大約為100立方毫米的硬件系統(tǒng)平臺(tái)，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)芯片，其中一個(gè)是基于MEMS技術(shù)的光學(xué)發(fā)射陣列，另一片CMOS專(zhuān)用集成電路(ASIC)則含有光學(xué)接受器、充電泵浦和簡(jiǎn)單的數(shù)字控制器。

到了2010年7月，該項(xiàng)目圓滿完成。Pister利用市場(chǎng)上可以買(mǎi)到的現(xiàn)貨商品，將溫度、濕度、氣壓、光強(qiáng)、傾角與振動(dòng)、磁等傳感器封存在立方毫米量級(jí)的空間內(nèi)，其中還包括雙向無(wú)線通信單元、微控制器和電池。該智能塵埃的通信距離達(dá)到20米，連續(xù)工作時(shí)間為1周，如果以1%的工作休眠比計(jì)，工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)2年之久。

在該項(xiàng)目完成前夕，項(xiàng)目組還做了一些相關(guān)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，只是來(lái)不及放到正式的演示中。根據(jù)Pister當(dāng)時(shí)郵件，項(xiàng)目組在7月1日做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將1Mbps的光學(xué)接收機(jī)、8位模/數(shù)轉(zhuǎn)化器、光傳感器和數(shù)字控制器放置在0.15mm3空間里。項(xiàng)目組還計(jì)劃在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上將含有數(shù)個(gè)多功能太陽(yáng)能電池、一個(gè)加速度計(jì)和一個(gè)模塊化光學(xué)角反射器的MEMS芯片集成到專(zhuān)用芯片中，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的體積恰好在1mm3之內(nèi)。Pister希望在當(dāng)年8月1日之前實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的功能演示。

2002年，Pister創(chuàng)建了Dust Networks公司并任CTO，該公司對(duì)外提供智能塵埃的技術(shù)產(chǎn)品。

來(lái)自長(zhǎng)“腿”智能塵埃的挑戰(zhàn)

如果說(shuō)Pister只研究智能塵埃的話，那還不能說(shuō)實(shí)現(xiàn)了《所向披靡》所描繪的場(chǎng)景。事實(shí)上，Pister另一個(gè)研究重點(diǎn)是合成昆蟲(chóng)項(xiàng)目，除了不能發(fā)射電磁輻射浪涌外，與《所向披靡》所述就比較吻合了。

Piser在伯克利分校網(wǎng)站其個(gè)人主頁(yè)上透露：合成昆蟲(chóng)項(xiàng)目就是讓智能塵埃長(zhǎng)上“腿”，從而可以四處走動(dòng)，甚至飛向天空。為此，他們還與那些研究昆蟲(chóng)行走、奔跑和飛行的生物學(xué)家進(jìn)行合作。

他樂(lè)觀地寫(xiě)道：用不了多少年，人們就有能力利用Web上的“切割—粘貼”工具，根據(jù)自己的需要選擇“腿”、電機(jī)、傳感器和電子線路來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器昆蟲(chóng)，并把互聯(lián)網(wǎng)上下載的控制算法加載到機(jī)器昆蟲(chóng)上，然后將昆蟲(chóng)放到一個(gè)3D交互的仿真環(huán)境中，看其如何與其他虛擬的蟲(chóng)子進(jìn)行社交或者戰(zhàn)斗。一旦對(duì)設(shè)計(jì)感到滿意，只須按下按鍵，設(shè)計(jì)就會(huì)被提交到工廠去生產(chǎn)，兩個(gè)月后就可以得到這些小家伙，或許會(huì)有幾百個(gè)小家伙在你辦公桌周?chē)奶巵y竄。

此刻的Pister更像是一位科幻作家。不過(guò)，這么多小東西如影隨形地跟著你，隱私確實(shí)很成問(wèn)題。

“任何技術(shù)都有黑暗的一面，比如說(shuō)伴隨著智能塵埃的是個(gè)人隱私的保護(hù)將變得越來(lái)越困難。”Pister表示，“不論是工程師還是科學(xué)家，或者是發(fā)型師，任何人在做事情時(shí)都要考慮正負(fù)兩方面的影響。只要我意識(shí)到智能塵埃的負(fù)面影響能與正面影響相提并論的話，我就不會(huì)繼續(xù)做下去。實(shí)際上，我認(rèn)為智能塵埃帶來(lái)的好處要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其對(duì)個(gè)人隱私帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。”

然而，來(lái)自瑞士Futurizon咨詢公司的未來(lái)學(xué)家Ian Pearson則要悲觀得多。

今年7月16日，Register網(wǎng)站刊登了《未來(lái)學(xué)家警告惡意塵埃威脅》文章，該文談到在由富士通公司委托的題為《生活，如何更好地享有》的咨詢報(bào)告中，Pearson表示，一些智能塵埃會(huì)從辦公設(shè)備的通風(fēng)柵欄滑進(jìn)去，在數(shù)據(jù)達(dá)到加密設(shè)備之前截獲這些數(shù)據(jù)，還有一些更聰明的智能塵埃甚至可以在打印時(shí)巧妙地替換文件。

有人會(huì)說(shuō)，怎么未來(lái)學(xué)家比科幻作家還科幻。不過(guò)，F(xiàn)uturizon公司在網(wǎng)站首頁(yè)上把Pearson說(shuō)得很神，說(shuō)他過(guò)去對(duì)未來(lái)十年的預(yù)測(cè)中，85%的預(yù)測(cè)都應(yīng)驗(yàn)了。

信Pister還是信Pearson，這是個(gè)問(wèn)題。