اینترنت اشیای یک بار مصرف
«فرض کنید در سال 2028 به خانه برگشته، گرسنه هستید و در یخچال، تنها یک بسته سوسیس وجود دارد که رنگ ناخوشایندی به خود گرفته است. آیا اینگونه مواد، همواره به همین رنگ بودند؟ آیا آنها برای خوردن امن هستند؟»
در اين دوره، افراد احتمالا به حس و شانس خود تکیه کرده، نمونههایی از خوراکی بالا را ميخورند؛ اما در سال 2028 میتوان بهسادگی تلفن هوشمند را بهسمت بسته نامبرده گرفت و با حسگر جایگذاریشده روی آن، ارتباط برقرار کرد. این کار، باعث میشود تا مواردی مانند میزان سلامت ماده غذایی مشخص و برای مثال، پیام روبهرو، به نمایش گذاشته شود: «خوردن این سوسيس، تا 20 ساعت آینده، همچنان امن است.» سپس دستورهای غذایی گوناگونی، برای پخت آن، به کاربر پيشنهاد گردد.
سناریوی مطرحشده، تنها یکی از کاربردهای بسیار گسترده اینترنت اشیا بهحساب میآید. درحال حاضر، حسگرهای بسیار کوچک، کمهزینه و کممصرف اینترنت اشیا وجود دارند. همچنین یک بازار اثباتشده از این دادههای فناوری -که با عنوان اَبَرداده از آنها یاد میشود- وجود دارد.
شرکت «HIS Market» با واكاوي صنعت الکترونیک پیشبینی میکند که تعداد ابزارهای موجود اینترنت اشیا، از 27 میلیارد عدد در سال 2017، به 125 میلیارد گزینه در سال 2030 خواهد رسید. این پیشگویی، باعث به هیجان آمدن شرکتهای تولیدکننده نیمههادیها شده است. بهویژه که فرض اصلی آنها، بهرهمندی همه تجهیزات از صفحات سیلیکونی است که احتمالا سود بسیاری را برای کارخانههای تولید تراشه چند میلیارد دلاری به همراه دارد؛ اما این فرض، کاملا اشتباه است. حسگرهای روی بسته سوسیس، در مثال یادشده از سیلیکون ساخته نشدهاند؛ بلکه مستقیما روی کاغذ و پلاستیک نصب شدهاند و یک بار مصرف هستند.
حسگرهای اینترنت اشیای امروزی، بر پایه «سامانههای میکروالکترومکانیکی» (MEMS) تولید میشوند. این تجهیزات، با همان شیوه توسعه آیسیهای نیمههادی گسترش داده شده، روی ویفرهای سیلیکونی قرار میگیرند و وظیفه اصلی بیشتر آنها، تشخیص صدا، فشار، نور، یا گاز موجود در محیط است. این ابزارها، معمولا از اجزایی بسیار کوچک و قطر کمتر از يكصد میکرومتر (کوچکتر از موی انسان) ساخته میشوند و نسبت به یک رویداد فیزیکی، واکنش نشان داده، سیگنالی الکتریکی ایجاد میکنند. بهعلاوه اگر آنها، به آنتن، یا فرستنده مجهز باشند، میتوانند دادههای خود را در بستر اینترنت منتقل نمايند.
حسگرهای میکروالکترومکانیکی، معمولا ابعادی معادل یک، یا 2 میلیمتر دارند. به همین دلیل، میتوان دهها هزار نمونه از آنها را بهصورت اقتصادی روی یک ویفر سیلیکونی با قطر 200 میلیمتر قرار داد. هزینه تولید این حسگرها، مانند میکروفون، یا ژیروسکوپ نیز 1/0، تا 5/0 دلار است. همین ويژگي، آنها را به تجهیزات بسیار مناسبی برای استفاده در ابزارهای گوناگونی مثل: تلفنهای هوشمند و دستبندهای تناسباندام تبدیل میکند.
با وجود اين هزینههای کم، برای بهرهمندی از آنها بهصورت یک بار مصرف در بستهبندیهای غذایی، آزمایشهای پزشکی، یا لباسهای هوشمند -که احتمالا هزینهای کمتر از 10 دلار خواهند داشت- نمونههایی با صرف هزینه نازلتر از یک پنی مورد تقاضا است. بهعبارت دیگر، مخارج تولید حسگرهای یادشده، باید به کمتر از یکدهم حال حاضر کاهش يابد. با وجود این، تولید خود تراشههای سیلیکونی، محدودیتهایی را برای دستیابی به این هدف، بر سر راه قرار میدهد.
ساخت حسگرهای فعلی، با ابعاد یک در یک میلیمتر، روی ویفرهای 200 میلیمتری، تقریبا به 002/0 دلار نیاز دارد. برای مثال، اگر شرکتی قصد داشته باشد حسگری را به مبلغ یک پنی (01/0 دلار) به فروش برساند، هزینه تولید نباید بیشتر از 007/0 دلار بشود؛ زیرا با باید 30 درصد (003/0 دلار) سود خود را نیز بهحساب آورد. این قانون نانوشته، در عصر کنونی، مخارج تولید هر تراشه سیلیکونی را به 0004/0 دلار محدود میکند. بهعبارت دیگر، برای ایجاد حسگری که یک پنی قیمت دارد، باید هزینه تراشههای سیلیکونی امروزی، دستكم تا یکپنجم کاسته شود؛ اما با توجه به روند تغییرات قیمت سیلیکون در طول تاریخ، دستیابی به این هدف، بعید بهنظر میرسد. کاهش هزینههای تولید، تا یک سنت نیز نمیتواند چارهای برای مسئله یادشده باشد. بنابراین باید از موادی جایگزین به جای سیلیکون بهره گرفت.
در سراسر همه صنایع، بازار همواره به تولیدکنندگان انگیزه میدهد تا از مواد ارزان قیمتتر بهره بگیرند. برای مثال، در خودروسازی، فلز جای خود را به پلاستیک و در الکترونیک، به جای یاقوت کبود، از سیلیکون استفاده میشود. هماينك حتی حسگرهای میکروالکترومکانیکی نیز درحال حرکت بهسمت پلاستیک و کاغذ هستند.
درحالی که ساخت ابزارهای الکتریکی روی این مواد ساده ممکن است جدید بهنظر برسد؛ اما این طور نیست. نزدیک به 40 سال پيش، دانشمندانی به نام پیتر برودی (Peter Brody) و دریک پیج (Derrick Page) موفق شدند ترانزیستورهای نوع «TFT» را روی بستر کاغذی ایجاد کنند. آنها معتقد بودند كه از این روش میتوان برای تولید اسناد کاغذی الکترونیکی و ایمپلنتهای پزشکی بهره گرفت.
درنتیجه پژوهشگران از سالها قبل، روی ساخت حسگرهایی بر پایه کاغذ و پلاستیک تحقیق میکنند و گويا کاهش هزینههای تولید، تنها هدف و انگیزه آنها نیست. رقابت برای کسب بودجه فدرال، پژوهندگان را تشویق میکند تا بهدنبال ایجاد راههای نوينی برای دستيابي به فناوری میکرو بروند، بدون این که نیاز به اتاق تمیز، یا دیگر ابزارهای عجیب باشد. همچنین علاقه آنها نسبت به پديد آوردن حسگرهایی که از مواد انعطافپذیرتر و قابلتجزیهتر از سیلیکون تشکیل میشوند و قابلیت بهکارگیری در صنعت پزشکی دارند، روزبهروز افزایش مییابد.
از طرفی کاربردهای تجهیزات الکترونیکی در سراسر جهان، پذیرفتهشده هستند و کشورهای رو به پيشرفت نیز به نمونههایی که هزینه بسیار پایینی دارند، نیاز خواهند داشت.
مهندسی محصول بیان میکند كه افراد نباید در محلی که میتوان از چکش آهنی بهره گرفت، چکش طلایی را بهکار گیرند. این قاعده، در اینترنت اشیا نیز صدق ميكند و در اين رابطه میگويد: در جایی که انعطافپذیری، هزینه پایین و یکبار مصرفی مطرح شده؛ اما حسگرها دقت کافی ندارند، نمونههای کاغذی، یا پلاستیکی، جایگزینهای مناسبی بهنظر میرسند.
هر حسگر اینترنت اشیا، 2 بخش قابل توجه دارد:
• خود حسگر که رویدادهای فیزیکی و شیمیایی ويژه را شناسایی میکند.
• واحد تلهمتری که دادهها را دریافت و آنها را در بستر اینترنت منتشر مینمايد.
واحد تلهمتری، احتمالا به باتری نیازی ندارد. در عوض، برای ارسال دادهها به تراشههای «RFID»، یا «NFC» به آنتنهای غیرفعال وابسته است. همچنین اگر این واحد، به باتری، فرستنده و گیرنده مجهز باشد، میتواند دادهها را در بستر تلفن هوشمند، وایفای، یا بلوتوث منتقل کند.
یک حسگر اینترنت اشیا ممکن است تا حدی قابلیتهای اطلاعاتی، یا تفسیر داده نیز داشته باشد. به همین منظور، روی مدارهای یکپارچه -كه با کاغذ و چاپ خطوط فلزی و جوهرهای نیمههادی ایجاد شدهاند- تحقیق میشود. یک شرکت بلژیکی، به نام ایمک (Imec) در سال 2011، یک ریزپردازنده 8 بیتی را روی پلاستیکی منعطف ایجاد کرد. این گروه، در سال 2017 موفق شد با استفاده از «ایگزو» (IGZO)، یک تراشه NFC را روی بستری پلاستیکی تولید نمايد. ایگزو نوعی نیمههادی ساختهشده از ایندیوم، گالیوم، زینک و اکسیژن است. با وجود این که طراحیهای یادشده، درحال حاضر نسبت به اجداد سیلیکونی خود، بسیار کندتر هستند؛ اما توانستهاند خود را از نظر میزان هزینه، بهخوبی اثبات کنند.
همچنین حسگرهای یک بار مصرف و ارزانقیمت اینترنت اشیا، به هوش و نیروی خارجی متکی خواهند بود که هر دوی اينها بهطور گسترده در دسترس هستند. برای مثال، همه تلفنهای هوشمند امروزی، از NFC پشتیبانی میکنند و از این تراشه میتوان در سامانههای پرداختی مانند اپل پی (Apple Pay) استفاده نمود. این موضوع بیان میکند كه ابزارهای موجود كنوني، از هماکنون قدرت لازم را برای برقراری ارتباط با حسگرهای یادشده در بالا دارند.
ازسويی هماکنون حرکت بهطرف تولید نمونههای انعطافپذیر و قابلتجزیه در محیطزیست، بهخوبی قابل مشاهده است. یکی از نخستین حسگرهای میکروالکترومکانیکی -که بهوسيله سازمان غذا و داروی آمریکا مورد تأیید قرار گرفت- «CardioMEMS» توليد شده است. این ابزار را از کوارتز ساختهاند و ويژگي ایمپلنت در استنت (Stent) و نظارت روی بدن دارد تا از باز بودن سرخرگها اطمینان حاصل شود. این نوآوری، شامل یک آنتن و غشاي کوچک است که در کوارتز قرار گرفته، نوعی خازن را تشکیل میدهد.
هنگامی که فشارخون، کاهش میيابد، به غشاي یادشده فشار وارد میشود و همین مسئله، فرکانس ارسالی ازسوی حسگر را تغییر میدهد. سپس یک پزشک میتواند از بیرون بدن، بهسادگی آن را مشاهده و با نتایج گذشته بیمار مقایسه کند. با وجود همه مزیتها، یکی از اصلیترین مشکلات حسگرهای کوارتزی و سیلیکونی، سختی و عدم انعطافپذیری آنها است. بنابراین كاربرد مواد انعطافپذیرتر که با فضای بسیار کوچک رگهای درون بدن مطابقت دارند، بهتر بهنظر میرسد. حتی مناسبتر است نمونههایی تولید کرد که تخریبپذیر باشند و پس از پایان کارشان در بدن انسان، حل شده، از بین بروند؛ تا دیگر برای خارج کردن آنها نیازی به جراحی نباشد.
مارک آلن (Mark Allen)، یکی از بنيانگذاران «CardioMEMS» بهمنظور ایجاد حسگرهای سازگار با محیطزیست و انعطافپذیر، تولید نمونههای سخت سیلیکونی و کوارتزی را کنار گذاشت. پژوهشگران گروه آلن، هماکنون روی توسعه حسگرها و حتی باتریهایی از جنس پلیمرهایی مانند: «PLGA»، «PVA» و «PCL» کار میکنند که در تولید نخ جراحی قابل حل نیز بهکار میروند. اتصالات و آنتنها در این تحقیقات، از فلزات تخریبپذیری همچون: منیزیم و روی ساخته میشوند. این افراد موفق شدند با همان شیوههای مرسوم امروزی برای تولید میکروالکترومکانیکها مثل لیتوگرافی نوری، حسگرهایی با ابعاد میلیمتري ایجاد کنند که قابلیت عملکردي همتراز با نمونههای کوارتزی از خود نشان میدهند.
از حسگرهای تجزیهپذير میتوان در زمینههای گوناگونی، فراتر از پزشکی استفاده کرد. این ابزارها، بهمنظور كاربرد در حوزههایی با فعالیتهای محیطی بالا مانند کشاورزی دقیق، بسیار جذاب بهنظر میرسند. برای مثال، تصور کنید بهازای هر گیاه جدید، یک حسگر نیز در زمین گذاشته شود؛ تا بتوان روی هیدروكسید خاک، در زمان رشد محصول نظارت کرد. نمونه نامبرده، با فرارسیدن هنگام برداشت این تجهیزات، در خاک حل شده، هیچگونه آسیبی نیز به فرآورده نهایی نمیرسد. از دیگر اقلام قابل اشاره نیز میتوان از نظارت روی بستههای غذایی مشابه مثال بالا یاد کرد.
نمونههای اولیه و پیشگام، از کنترل بستههای غذایی مانند سوسیس یادشده هماکنون نیز ایجاد شدهاند. گروه سیلوانا اندرسکو (Silvana Andreescu) از دانشگاه کلارکسون در پتسدام نیویورک، حسگری بر پایه کاغذ ایجاد کرده است که میتواند میزان فساد مواد غذایی را تشخیص دهد. نانوساختارهای پديدآمده از مواد شیمیایی معدنی چاپشده روی کاغذ، با تجزیه شدن و آزادسازی گاز، نسبت به میزان سلامت مواد، واکنش نشان میدهند. سپس رنگشان، با توجه به غلظت گاز تغییر میکند. در چنین حالتی، وضعیت حسگر را میتوان با چشم ديد. همچنين با افزودن رشتههای الکتریکی، اين امكان وجود دارد كه دادهها را به یک تلفن هوشمند انتقال داده، نمونهای از یک ابزار اینترنت اشیا پديد آورد.
گروه جورج وایتساید (George Whiteside)، از دانشگاه هاروارد اقدام مشابهی را برای ایجاد حسگری کاغذی انجام داد. اين تيم ابزاری پزشکی ساخت که میتوان به ياري آن، با توجه به تغییر رنگ و شکل بصری، نتیجه آزمایش را مشاهده کرد. با استفاده از روشهای چاپ روی صفحه و جوهرافشان، این پژوهشگران توانستند حسگرهای کاغذی سنجش مایکروویو، شیمیایی، رطوبت و حتی نیرو را تولید کنند. هدف آنها، ایجاد حسگرهای پزشکی است که شهروندان کشورهای درحال توسعه، بهسادگی توانایی تهیه آنها را داشته باشند. کاربر میتواند این حسگرها را بهشکل دلخواه درآورده، پس از پایان کار نابود کند، یا اجازه بدهد تا خودش تجزیه شود.
از آنجایی که میلیاردها حسگر و ابزارهای گوناگون اینترنت اشیا طي سالهای آینده به عرصه خواهند آمد، توانایی تجزیه این مواد در طبیعت، از سرریز داده اینترنتی و آلودگی محیط جلوگیری میکند.
با وجود این که بسیاری از حسگرهای یک بار مصرف قادر هستند انرژی خود را از طریق امواج رادیویی تأمین کنند؛ اما بعضی از انواع آنها، همچنان به منبع قدرتی ويژه نیاز دارند. به همین دلیل، گروه آلن، با استفاده از همان مواد تجزیهپذیر بهکاررفته در تحقیقات خود، برای ایجاد حسگرها، روی ساخت باتریهایی دوستدار طبیعت کار میکنند. در این شیوه، محلولهای نمک موجود در بدن انسان، بهآسانی نقش الکترولیتهای باتری را ایفا خواهند نمود و بهآسانی از اسیدهای سمی موجود در باتریهای معمولی، اجتناب بهعمل میآید.
گروه سوخیان چوی (Seokheun Choi)، از دانشگاه ایالتی نیویورک در بینگهمتون با بهکارگیری یک منبع الکترونی نامتعارف باکتریها، نوعی باتری کاغذی ایجاد کردند. شماری از این باکتریها را میتوان بهسهولت در گلدونها شناسایی نمود که با تجزیه مواد غذایی، الکترون میسازند. این باکتریها، خود را به الکترود فلزی چاپشده روی کاغذ ميچسبانند. سپس الکترودها، الکترونهای ایجادشده را گردآوری میکنند. برای ایجاد جریانی در اندازه میکروآمپر، باید تعداد معينی کاغذ را روی یکدیگر قرار داد که البته با تا زدن کاغذ، پس از چند نوبت برطرف میشود.
انعطافپذیری بالای کاغذ و پلاستیک، تولید حسگر بر پایه این دو را دشوار میکند؛ زیرا ابعاد آنها را باید بهدقت کنترل کرد. برای مثال، پلاستیک با حداقل نیرو، یا تغییر حرارت، دچار کشش شده، تغییر شکل میيابد. فعالان صنعت نیمههادی، یاد گرفتهاند که اندازه خصیصهها را در حد چند نانومتر کنترل کنند؛ ولي ابعاد یک بخش از پلاستیک ممکن است تنها با افزایش میزان حرارت چند درجهای، دهها میکرومتر كم و زياد گردد. بنابراین مجموعه ابزارهايی کاملا متفاوت، برای طراحی تجهیزاتی که بر پایه کاغذ و پلاستیک ساخته میشوند، مورد نیاز خواهد بود.
فناوریهای بهرهمندي از کاغذ و پلاستیک، از چندین دهه (حتی قرن) قبل، در کاربريهای دیگر شناخته شده بودند. برای مثال میتوان به دستگاههای چاپ کاغذ بهمنظور تهیه روزنامه، یا کتاب، بهرهگيري از نازل جوهرافشان برای چاپ دقیق و تولید نوار پلاستیکی اشاره کرد. با ترميم این فناوریها برای نیازهای الکترونیکی کاغذی و پلاستیکی خاص، بهزودی صنعت نوينی متولد خواهد شد.
وزارت دفاع آمریکا، از هماکنون شروع به فعالیت در زمینه تولید زیرساختهای جدید یادشده کرده است. مرکز «NextFlex» در سن خوزه کالیفرنیا، سپتامبر 2016، افتتاح شد. سپس وزارتخانه بالا، بهمنظور سرعت بخشیدن به تحقیقات و توسعه روشهای پیشرفته ایجاد ابزارهای انعطافپذیر الکترونیکی هیبریدی، 75 میلیون دلار در این مرکز سرمایهگذاری کرد. هدف این شرکت، از بین بردن ساختارهای سخت و مدارهای چاپی مسطحي است که احداث دستگاههای الکترونیکی، از 60 سال گذشته، به آنها وابسته بودند.
ابزارهای انعطافپذیر الکترونیکی هیبریدی، مرزهای تازهای را برای چشمانداز ساختارهای الکترونیکی کاغذی و پلاستیکی ارائه میکنند. البته هنوز امکان ایجاد ترانزیستورهایی با کارایی بالا و دیگر عناصر مربوط در نسل جدید زیرساختها وجود ندارد؛ اما دستكم میتوان اجزای سیلیکونی را با نمونههای پارچهای، پلاستیکی و کاغذی جایگزین کرد؛ تا قطری کمتر از 50 میکرومتر بهدست آورده، انعطافپذیر شوند.
وزارت دفاع آمریکا قصد دارد در کوتاهمدت، به شیوههای تولیدی دست یابد که امکان ساخت تجهیزات سبک و پوشیدنی را برای سربازان پديد آورند، یا قابلیت نصب آنها را روی تجهیزات فراهم کنند.
در بلندمدت نیز بسط استعدادهای جدید برای فرآوري حسگرهای پلاستیکی و کاغذی مدنظر است؛ تا الگوهایی تجاری ایجاد شده، امکان بهوجود آوردن نوع تازهای را از محصولات مهيا نمايند. این مسئله را میتوان با زايش بدون ساخت (fabless) تراشهها در اواخر دهه 80 مقایسه کرد که بهدنبال آن، موج عظیمی از نوآوریها بهراه افتاد. دیگر نیاز نبود تا به شرکتهای جوان تولید تراشه، هزینههای سنگین تحمیل شود. آنها میتوانستند روی طرحهای ابتكاري خود تمرکز کنند. در شیوه یادشده، پديد آمدن نوآفرينیها و محصولاتی مانند: تلفن هوشمند، تبلتها و کنسولهای بازی، شتاب بسیاری گرفت.
خلق پلاستیک و کاغذ الکترونیکی، گنجايش بالقوهای را برای فراتر رفتن صنعت از مدل تولید بدون ساخت آماده میکند. هنگامی که سازندگان، از مواد و روشهای ساده سود میبرند، دیگر نیازی نیست تا فرآیندهای خود را در یک محیط کاملا پیچیده انجام دهند. به اين ترتيب، محل کارخانه آنها ممكن است در هر شهر، یا خانهای قرار داشته باشد. این یک شيوه تولید توزیعشده است. برای مثال، هماكنون نیز میتوان چاپگرهای 3 بعدی پليمر را هم در خانه و هم در کارگاههاي حرفهای مشاهده کرد. به همین دلیل، تصور این که یک جهش بسیار بزرگ، طي 20 سال آینده رخ خواهد داد و این چاپگرها توانایی ایجاد حسگرهای انعطافپذیر را دارند، دور از انتظار نیست.
البته همه فناوریهای حسگرها، سزاواري اجرا روی کاغذ و پلاستیک ندارند. بسیاری از نمونههایی که از کارایی ردهبالا برخوردار هستند، مانند میکرون و ژیروسکوپ، همچنان در بستر سیلیکونی تولید میشوند؛ زیرا عملکرد فیزیکی آنها، به خواص سیلیکون وابسته است. با وجود این، ابزارهای پركاربرد و ساده اینترنت اشیا مانند حسگر تشخیص نور، دما، فشار و گاز، به بسترهای کاغذی و پلاستیکی مهاجرات میکنند.
هماينك انسانها در زمینه فرآوردههاي الکترونیکی، ميان شکاف روشهای سیلیکونی سنتی و شیوههای کمهزینه و انعطافپذیر قرار دارند. تحقیقات نوين صورتگرفته، افزایش تقاضا برای حسگرهای کمهزینه و انعطافپذیر و رشد آگاهی از نیاز به کاهش تأثیرات مخرب زیستمحیطی، روی تولیدات الکترونیکی اثر خواهند گذشت و درنهایت یک محرک حیاتی را برای تبدیل شدن حسگرهای کاغذی و پلاستیکی به ماجراي اصلی بعدی، پديد خواهند آورد.