智能塵埃：無線傳感網(wǎng)的微縮景觀

     為調(diào)查Condor號宇宙飛船的失蹤，強大的“所向披靡”號宇宙飛船降落在名為Regis III的星球。船員們在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，在這個貌似沒有生命的荒涼星球上，存在著多種具有自治、自修復(fù)能力的微小機器人。與達(dá)爾文“物競天擇”的進化論相似，機器人的進化是靠戰(zhàn)爭完成的。戰(zhàn)爭中幸存者往往是群居的昆蟲狀納米機器人。它們平時對人無害而且行為簡單。而一旦被激怒，它們會迅速聚集成一個龐大的“昆蟲”云，通過個體間的自組織，表現(xiàn)出十分復(fù)雜的行為能力，并發(fā)射強大的電磁輻射浪涌來擊潰入侵者……

　　這個與電影《阿凡達(dá)》類似的星球之戰(zhàn)的場景，源自波蘭科幻小說大師史坦尼斯勞·萊姆1964年出版的科幻小說《所向披靡》（《The Invincible》）?！端蚺摇分杏嘘P(guān)納米機器人的感知、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)是科技界時髦的話題，然而到了近幾年，智能塵埃變得銷聲匿跡。究其原因，倒不是因為研究方向出現(xiàn)問題，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，仍然是個艱巨的挑戰(zhàn)。

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

　　Pister：智能塵埃的發(fā)明人

　　將萊姆的文字付諸行動的是美國加州大學(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)專業(yè)后，又在伯克利分校獲得計算機、電子學(xué)兩個碩士學(xué)位和電子學(xué)專業(yè)的博士學(xué)位。

　　跨學(xué)科而又相互關(guān)聯(lián)的知識結(jié)構(gòu)為Pister率先將MEMS（微電子機械系統(tǒng)）技術(shù)應(yīng)用于智能塵埃并最終成為智能塵埃的發(fā)明人奠定了堅實的知識基礎(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?！边@個詞。而Pister有關(guān)智能塵埃的實質(zhì)性研究則始于1994年，與此同時，他還開展了相關(guān)硬件平臺的研發(fā)。

　　這項得到美國國防部先進研究計劃局（DARPA）微系統(tǒng)技術(shù)辦公室MEMS計劃資助的研究，目的是通過演示來證明一個完整的傳感器和通信系統(tǒng)可以被集成到立方毫米量級的空間中。由于DARPA的資助范圍并不包括傳感器，Pister與其同事從一開始就沒有把目標(biāo)放在特殊的傳感器上，而是將研究的重點放在了系統(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開發(fā)超小型操作系統(tǒng)TinyOS。

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

　　近觀智能塵埃

　　Pister研究項目的最終目標(biāo)是到2010年7月，在立方毫米量級上實現(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；計算單元由可定制化的混合信號CMOS ASIC（專用集成電路）實現(xiàn)，這一專用電路包括模擬I/O、DSP（數(shù)字信號處理器）、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演示了一個體積大約為100立方毫米的硬件系統(tǒng)平臺，這個系統(tǒng)有兩個芯片，其中一個是基于MEMS技術(shù)的光學(xué)發(fā)射陣列，另一片CMOS專用集成電路（ASIC）則含有光學(xué)接受器、充電泵浦和簡單的數(shù)字控制器。

　　到了2010年7月，該項目圓滿完成。Pister利用市場上可以買到的現(xiàn)貨商品，將溫度、濕度、氣壓、光強、傾角與振動、磁等傳感器封存在立方毫米量級的空間內(nèi)，其中還包括雙向無線通信單元、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)工作時間為1周，如果以1%的工作休眠比計，工作時間可長達(dá)2年之久。

　　在該項目完成前夕，項目組還做了一些相關(guān)的基礎(chǔ)實驗，只是來不及放到正式的演示中。根據(jù)Pister當(dāng)時郵件，項目組在7月1日做了一個實驗，將1Mbps的光學(xué)接收機、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。項目組還計劃在半導(dǎo)體生產(chǎn)線上將含有數(shù)個多功能太陽能電池、一個加速度計和一個模塊化光學(xué)角反射器的MEMS芯片集成到專用芯片中，從而使得整個系統(tǒng)的體積恰好在1mm3之內(nèi)。Pister希望在當(dāng)年8月1日之前實現(xiàn)實驗室的功能演示。

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

　　來自長“腿”智能塵埃的挑戰(zhàn)

　　如果說Pister只研究智能塵埃的話，那還不能說實現(xiàn)了《所向披靡》所描繪的場景。事實上，Pister另一個研究重點是合成昆蟲項目，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)站其個人主頁上透露：合成昆蟲項目就是讓智能塵埃長上“腿”，從而可以四處走動，甚至飛向天空。為此，他們還與那些研究昆蟲行走、奔跑和飛行的生物學(xué)家進行合作。

　　他樂觀地寫道：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、傳感器和電子線路來設(shè)計機器昆蟲，并把互聯(lián)網(wǎng)上下載的控制算法加載到機器昆蟲上，然后將昆蟲放到一個3D交互的仿真環(huán)境中，看其如何與其他虛擬的蟲子進行社交或者戰(zhàn)斗。一旦對設(shè)計感到滿意，只須按下按鍵，設(shè)計就會被提交到工廠去生產(chǎn)，兩個月后就可以得到這些小家伙，或許會有幾百個小家伙在你辦公桌周圍四處亂竄。

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

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

　　然而，來自瑞士Futurizon咨詢公司的未來學(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》的咨詢報告中，Pearson表示，一些智能塵埃會從辦公設(shè)備的通風(fēng)柵欄滑進去，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巧妙地替換文件。

　　有人會說，怎么未來學(xué)家比科幻作家還科幻。不過，F(xiàn)uturizon公司在網(wǎng)站首頁上把Pearson說得很神，說他過去對未來十年的預(yù)測中，85%的預(yù)測都應(yīng)驗了。

　　信Pister還是信Pearson，這是個問題。