無所不在的黑科技!小心,「智慧型微塵」正在監控你

2018.05.07 by
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這聽起來像是個讓人毛骨悚然、沒有任何隱私的世界——智慧型微塵簡直是監控全人類的最好工具,無論走到哪裡,你的一舉一動都可能被記錄和觀察。

本文摘自,《矽谷工程師不張揚的破壞性創新:黑科技》,大是文化

在未來的2060年,你坐在電動豪華車Tesla Model Z裡,電車正懸浮在空中,以次音速自動前往某地。某地機器人暴動破壞基礎設施,出現不少人類傷亡。

你是心急如焚的救援人員,轉動手中的蘋果戒指5,心想:「我要看看當地的傷患分布圖。」戒指感應到你的思想,在眼前浮現出3D虛擬實境介面——這是發生機器人暴動地的鳥瞰街景,其中的紅點標注著危急傷患的位置。

你在空氣中滑動手指,介面立刻放大到一個最嚴重傷患的位置,詳細顯示出他的一系列生理指標、受傷的部位和預估的救援剩餘時間。你心想:「我需要一個計畫。」眼前的地圖自動更新顯示出一個路線圖,指出了最佳的救援行動路徑。

但你不知道,在幾十年前資訊化不足的時代,搜救工作從來不是如此高效率。

如何將開頭的科幻變為現實?試想有一天,數據收集終端可變得如沙粒般微小,並能散布於地球的各個角落,整個地球就如同一個巨大的顯示器,每個沙粒般微小的終端,就是這巨型螢幕的一個點。

在中央計算器的監控下,每一個座標的物理量(GPS座標、溫度、溼度、速度、光強、磁場強度等)資訊都盡收眼底。這些驚人的大數據,都可以被全球的中心雲端伺服器即時監控、追蹤和分析

實現這樣終極資訊化的處理器,正是被我們稱之為「智慧型微塵」(Smart Dust)的極度微小、高度集成的感測器系統。

隱私全暴露,但災難搜救、疾病檢測更準確

這聽起來像是個讓人毛骨悚然、沒有任何隱私的世界——智慧型微塵簡直是監控全人類的最好工具,無論走到哪裡,你的一舉一動都可能被記錄和觀察。

任何事都是一體兩面,最壞的世界某種程度上也是最好的世界。假設地球上每一點的物理量都被動態監控,天氣預報、地質勘探、地震預報、洋流檢測等都將極度準確

宇宙勘探——只需要發射一個裝滿智慧型微塵的炸彈,令其爆破後的塵埃遍布星球表面,整個地表的形貌測繪、地質勘探將輕而易舉;災難搜救——利用智慧型微塵使整個海洋,包括海洋中的所有物體能被清晰3D成像,搜救工作就變成一個形狀模式識別的過程,只需要電腦即可定位;地質勘測也一樣,如果這樣的智慧型微塵能被注入深層地底下,那麼資源檢測和地震預報也都極度資訊化。人類個體,也會因智慧型微塵而獲得諸多福利——疾病檢測將變得非常容易。

軟硬體躍進,可望脫離科幻小說層面

智慧型微塵這個概念最早在1992年被提出,1990年代開始被美國國防高等研究計畫署(DARPA)出資研究。這一概念的願景,是由一系列具備通訊模組的微型感測器,來組成一個分布於環境中的監測網路。每一個監測處理器就是所謂的「微塵」,成千上萬的微塵散播在環境中,彼此之間用自我組織方式構成無線網路,來收集環境數據(溫度、氣壓等)。收集到的數據則透過「微塵」的通訊模組,傳向終端的電腦(或雲端伺服器)來分析和處理。

如果要實現這個總體的微塵網路,單個的微塵必須具備這幾個功能模組:感測器模組,用於採集環境數據;通訊模組,用於無線傳輸數據;電源模組,用於供電和自充電;微處理器模組,用於控制和調度所有的模組。

如果將要監測環境變數的區域,想像成人類的皮膚,那麼可以將每個智慧型微塵,想像成人類的單個觸覺神經元。神經元能收集觸覺訊號,同時也能相互連接成網路來傳遞這些訊號。外界的刺激在神經元之間相互傳遞,最終被傳向大腦,由大腦來分析處理觸覺訊號,得到觸覺的意識。

一個智慧型微塵網路也有非常相似的架構:被進行環境變數採集的區域,就好比是人的皮膚;而每個智慧型微塵,就好比是每個神經元;中央雲端伺服器就好比是人的大腦。數據由微塵採集並傳輸,直至最終到達雲端伺服器。

近幾年很紅的名詞叫物聯網,目標是把常見的設備都連入互聯網。拿家用設備來說,電燈、冰箱、門窗、空調等全部智慧化,連入互聯網,讓家居資訊化和可自動控制化。而智慧型微塵的網路(Internet of Smart dust),可被視為一種終極的物聯網。

要實現這個微塵感測器網路的宏圖,核心技術還是製作出單個微塵。這實際上是一個「麻雀雖小,五臟俱全」的微型電腦處理器。前面提到了必須具備感測器、通訊、電源、微處理器四大模組。而這些所有的模組加在一起,要達到灰塵的尺寸,也就是幾十微米。這其中的難度可想而知。

加州大學柏克萊分校的教授,在2000年提出智慧型微塵的概念。基於當時的技術水準,這個所謂的「微塵」體積定位有5立方毫米之大,距離「微塵」還有很大的差距。

要做出我們目標中的微塵,5立方毫米是遠遠不夠的。還需要進一步微小化,讓整個系統的尺寸達到微米的級別,也就是再縮小至將近千分之一。這真是一個知易行難的事情——按照如今每兩年面積縮小一半來計算,實現這個尺寸需要20年的時間。

當然,低功耗和微尺寸只是指做出單個原型微塵要達到的目標。要實現工業化大量生產智慧型微塵,讓它們能真正分布於我們的環境中,還需要滿足更為苛刻的工業化生產條件,這包括低生產成本、穩定性良好、抗環境干擾、工作壽命長等條件。

因為這些苛刻的條件,導致在其概念提出20年後的今天,智慧型微塵仍停留在理論階段。但隨著近年半導體技術、感測器技術、大數據和雲端運算的飛速發展,這項理論逐漸有可能脫離科幻小說層面。

節點數龐大,仰賴網路技術與超級大數據

當智慧型微塵的硬體實踐成為可能,軟體方面的數據處理,也將面臨極大的挑戰。智慧型微塵不僅每個處理器體積極小,網路的節點數目也十分龐大。這對控制軟體、網路技術和數據處理都產生更高的要求。

從網路技術來講,智慧型微塵基於一種分散式的網路,這樣的分散式網路有什麼好處?首先這對於單個感測器來講,是一種低功耗的工作模式——數據只需要傳向近距離的相鄰節點,而不是遠端的基地臺伺服器;其次,這種分散式網路的可靠性也更強——對整個網路來講,沒有任何一個節點是不可或缺的,這樣即便有一些節點電源耗盡或損壞,整個網路仍能正常運作,只是少採集幾個數據點而已;最後,這樣的網路也不需要精心設計,而是以一種「自我組織」的方式自動連接。

當然,這樣的網路,還要在通訊協定和數據傳輸模式上精心設計,以保證低功耗的要求,而且數據傳輸在此基礎上,有最少的重碼率和誤碼率。這不但需要研究能適應如此大規模網路的數據傳輸演算法,而且還需要制定新的標準,保證不同的智慧型微塵系統能被連接在一起。

如果解決了互聯網的難題,我們就能透過雲端伺服器,來收集智慧型微塵網路採集的數據。這樣新的難題又來了。如今的移動終端僅限於個人電腦、平板電腦和手機,即便這樣,我們已需要面對海量的數據整理、儲存和分析,也就是現在的熱門話題——大數據。

當我們製作智慧型微塵網路後,網路節點數目一下增加了好幾倍,每個節點又會全天候不間斷採集環境物理量,這樣我們面對的,不僅是大數據,而是超級大數據。因為數據量將隨著數據終端的數目,呈現超大規模的增長。這麼大的數據量,我們現有的雲端運算能應對嗎?如何處理這麼大規模的數據?這些都將是棘手的難題。

未來應用,氣象預報、外星探測都派上用場

在現階段的技術水準,物聯網和可穿戴產品初露頭角。而智慧型微塵,其實可以看作是終極的物聯網。智慧型微塵是下一代的超級物聯網的數據採集終端。它所帶來的未來,使得這個概念成為下一代技術中,一顆耀眼的明珠。

這種微塵感測器網路,能被用於氣象預報、地質檢測、災難救援、無人監控、醫療應用、外星探測及軍事情報收集等領域。但想實現這項願景,卻面臨諸多困難的課題:它需要微處理器、通訊模組、感測器模組、電源模組的高度單片集成,先進的高密度電池技術和自充電技術,以及新的網路傳輸技術和大數據技術等。

想實現智慧型微塵,需要整個工業界的推動和進步,不是一、兩個創新就能達成,也不是一朝一夕的事。回顧人類科技走過的一百年,有誰能在電腦剛誕生時,預見如今集成度如此高的智慧型手機系統、可穿戴設備和物聯網系統?又有誰能預見如今的互聯網技術和大數據技術?

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