如今,智能微尘早已淹没在无线传感器网络的雷霆巨浪中,但不可否认的是,智能微尘不仅是无线传感器网络的源头,也将成为无线传感器网络的归宿。
将莱姆的话付诸行动的是加州大学伯克利分校教授克里斯托弗·皮斯特(Kristofer Pister)。 皮斯特从加州大学圣地亚哥分校获得应用物理学学士学位后,又在伯克利大学获得了计算机科学和电子学两个硕士学位以及电子学博士学位。
跨学科、相互关联的知识结构为皮斯特奠定了坚实的知识基础,他率先将MEMS(微机电系统)技术应用于智能灰尘,并最终成为智能灰尘的发明者。
1992年左右,掀起了一波智能热潮:智能家居、智能建筑、智能炸弹等,于是皮斯特想到了“智能灰尘”这个词。 皮斯特对智能灰尘的实质性研究始于1994年,同时也进行了相关硬件平台的研发。
该研究由美国国防高级研究计划局 (DARPA) 微系统技术办公室的 MEMS 项目资助,旨在通过展示完整的传感器和通信系统可以集成到立方毫米量级的空间中。 由于DARPA的资助范围不包括传感器,Pister和他的同事从一开始就没有针对特殊传感器,而是将研究重点放在系统小型化、集成技术和能源管理上。
为了配合 Pister 的智能灰尘项目,DARPA 的网络嵌入式系统技术办公室(NEST)还资助伯克利分校的 Jason Hill 和 David Culler 开发超小型操作系统 TinyOS。
TinyOS 是一个开源的、基于组件的操作系统平台。 研究团队于1999年推出了TinyOS的第一个版本。时至今日,TinyOS仍然是嵌入式市场无线传感器网络的首选。
Pister研究项目的最终目标是在2010年7月之前实现立方毫米尺度的自主传感器系统。具体来说,传感器采用温度传感器或加速度传感器; 计算单元采用可定制的混合信号CMOS ASIC(专用集成电路)实现,包括模拟I/O、DSP(数字信号处理器)、控制器等功能单元。 通信部分由激光二极管组成的激光通信发射系统和激光通信接收系统组成; 电源部分由硅光电池、电容器和薄膜电池组成。
1999年7月,Pister展示了体积约100立方毫米的硬件系统平台。 该系统有两个芯片,其中一个是基于MEMS技术的光发射阵列,另一个是CMOS专用集成电路(ASIC)。 接收器、电荷泵和简单的数字控制器。
至2010年7月,该项目顺利竣工。 Pister利用市场上现有的现成产品,将温度、湿度、气压、光强、倾斜度、振动和磁性等传感器密封在立方毫米的空间内,其中还包括双向无线通信单元 、微控制器和电池。 智能尘埃通讯距离达到20米,连续工作时间为1周。 如果工作睡眠比例为1%,工作时间可长达2年。
在项目完成前夕,项目组还进行了一些相关的基础实验,但还来不及投入正式论证。 根据 Pister 当时的电子邮件,项目团队在 7 月 1 日进行了一项实验,将 1Mbps 光接收器、8 位 A/D 转换器、光传感器和数字控制器放置在 0.15mm3 的空间中。 项目团队还计划将包含多个多功能太阳能电池、加速度计和模块化光学角反射器的MEMS芯片集成到半导体生产线上的专用芯片中,使整个系统的体积仅在1mm3以内。 皮斯特希望在当年 8 月 1 日之前在实验室实现功能演示。
如果皮斯特只研究智能尘埃,还不能说《无敌》中描绘的场景已经实现。 事实上,Pister的另一个研究重点是合成昆虫项目。 除了不能发射电磁辐射浪涌外,更符合《无敌》中描述的情况。
皮泽尔在伯克利网站的个人主页上透露:合成昆虫项目是让智能尘埃长出“腿”,让它可以四处走动,甚至飞向天空。 为此,他们还与研究昆虫如何行走、奔跑和飞行的生物学家合作。
他乐观地写道:几年后,人们将有能力利用网络上的“剪切和粘贴”工具,根据自己的需要选择“腿”、电机、传感器和电子电路来设计机器昆虫, 并将它们放在互联网上。 将下载的控制算法加载到机器人昆虫上,然后将昆虫放置在3D交互式模拟环境中,看看它如何与其他虚拟昆虫进行社交或战斗。 一旦你对设计感到满意,你只需按一个按钮,它就会提交给工厂进行生产,两个月后你就会看到这些小家伙,也许有几百个在你的办公桌上跑来跑去。