無所不在的黑科技！“智能微塵”正在監(jiān)控你

這聽起來像是個讓人毛骨悚然、沒有任何隱私的世界。智能微塵，它簡直是監(jiān)控全人類的最好工具，無論走到哪里，你的一舉一動都可能被記錄和觀察。

在未來的2060年，你坐在電動豪華車Tesla Model Z里，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(chǔ)設施，出現(xiàn)不少人類傷亡。你是心急如焚的救援人員，轉(zhuǎn)動手中的蘋果戒指5，心想：“我要看看當?shù)氐膫麊T分布圖。”戒指感應到你的思想，在眼前浮現(xiàn)出3D虛擬現(xiàn)實界面——這是發(fā)生機器人暴動地的鳥瞰街景，其中的紅點標注著危急傷員的位置。你在空氣中滑動手指，接口立刻放大到一個最嚴重傷員的位置，詳細顯示出他的一系列生理指針、受傷的部位和預估的救援剩余時間。你心想：“我需要一個計劃?！毖矍暗牡貓D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，在幾十年前信息化不足的時代，搜救工作從來不是如此高效率。如何將開頭的科幻變?yōu)楝F(xiàn)實？試想有一天，數(shù)據(jù)收集終端可變得如沙粒般微小，并能散布于地球的各個角落，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，就是這巨型屏幕的一個點。在中央計算器的監(jiān)控下，每一個坐標的物理量（GPS坐標、溫度、濕度、速度、光強、磁場強度等）信息都盡收眼底。這些驚人的大數(shù)據(jù)，都可以被全球的中心云端服務器實時監(jiān)控、追蹤和分析 。而實現(xiàn)這樣終極信息化的處理器，正是被我們稱之為“智能微塵”（Smart Dust）的極度微小、高度集成的傳感器系統(tǒng)。

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——智能微塵，簡直是監(jiān)控全人類的最好工具，無論走到哪里，你的一舉一動都可能被記錄和觀察。但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(tài)監(jiān)控，天氣預報、地質(zhì)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(fā)射一個裝滿智能微塵的***，令其爆破后的塵埃遍布星球表面，整個地表的形貌測繪、地質(zhì)勘探將輕而易舉；災難搜救——利用智能微塵使整個海洋，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，只需要計算機即可定位；地質(zhì)勘測也一樣，如果這樣的智能微塵能被注入深層地底下，那么資源檢測和地震預報也都極度信息化。人類個體，也會因智能微塵而獲得諸多福利——疾病檢測將變得非常容易。

軟硬件躍進，可望脫離科幻小說層面

智能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劃署出資研究。這一概念的愿景，是由一系列具備通訊模塊的微型傳感器，來組成一個分布于環(huán)境中的監(jiān)測網(wǎng)絡。每一個監(jiān)測處理器就是所謂的「微塵」，成千上萬的微塵散播在環(huán)境中，彼此之間用自我組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡，來收集環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、氣壓等）。收集到的數(shù)據(jù)則透過「微塵」的通訊模塊，傳向終端的計算機（或云端服務器）來分析和處理。如果要實現(xiàn)這個總體的微塵網(wǎng)絡，單個的微塵必須具備這幾個功能模塊：傳感器模塊，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)；通訊模塊，用于無線傳輸數(shù)據(jù)；電源模塊，用于供電和自充電；微處理器模塊，用于控制和調(diào)度所有的模塊。如果將要監(jiān)測環(huán)境變量的區(qū)域，想象成人類的皮膚，那么可以將每個智能微塵，想象成人類的單個觸覺神經(jīng)元。神經(jīng)元能收集觸覺訊號，同時也能相互連接成網(wǎng)絡來傳遞這些訊號。外界的刺激在神經(jīng)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。一個智能微塵網(wǎng)絡也有非常相似的架構(gòu)：被進行環(huán)境變量采集的區(qū)域，就好比是人的皮膚；而每個智能微塵，就好比是每個神經(jīng)元；中央云端服務器就好比是人的大腦。數(shù)據(jù)由微塵采集并傳輸，直至最終到達云端服務器。近幾年很紅的名詞叫物聯(lián)網(wǎng)，目標是把常見的設備都連入互聯(lián)網(wǎng)。拿家用設備來說，電燈、冰箱、門窗、空調(diào)等全部智慧化，連入互聯(lián)網(wǎng)，讓家居信息化和可自動控制化。而智能微塵的網(wǎng)絡（Internet of Smart dust），可被視為一種終極的物聯(lián)網(wǎng)。要實現(xiàn)這個微塵傳感器網(wǎng)絡的宏圖，核心技術(shù)還是制作出單個微塵。這實際上是一個「麻雀雖小，五臟俱全」的微型計算機處理器。前面提到了必須具備傳感器、通訊、電源、微處理器四大模塊。而這些所有的模塊加在一起，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年提出智能微塵的概念?；诋敃r的技術(shù)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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)工業(yè)化大量生產(chǎn)智能微塵，讓它們能真正分布于我們的環(huán)境中，還需要滿足更為苛刻的工業(yè)化生產(chǎn)條件，這包括低生產(chǎn)成本、穩(wěn)定性良好、抗環(huán)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年后的今天，智能微塵仍停留在理論階段。但隨著近年半導體技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)和云端運算的飛速發(fā)展，這項理論逐漸有可能脫離科幻小說層面。

節(jié)點數(shù)龐大，仰賴網(wǎng)絡技術(shù)與超級大數(shù)據(jù)

當智能微塵的硬件實踐成為可能，軟件方面的數(shù)據(jù)處理，也將面臨極大的挑戰(zhàn)。智能微塵不僅每個處理器體積極小，網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目也十分龐大。這對控制軟件、網(wǎng)絡技術(shù)和數(shù)據(jù)處理都產(chǎn)生更高的要求。從網(wǎng)絡技術(shù)來講，智能微塵基于一種分布式的網(wǎng)絡，這樣的分布式網(wǎng)絡有什么好處？首先這對于單個傳感器來講，是一種低功耗的工作模式——數(shù)據(jù)只需要傳向近距離的相鄰節(jié)點，而不是遠程的基地臺服務器；其次，這種分布式網(wǎng)絡的可靠性也更強——對整個網(wǎng)絡來講，沒有任何一個節(jié)點是不可或缺的，這樣即便有一些節(jié)點電源耗盡或損壞，整個網(wǎng)絡仍能正常運作，只是少采集幾個數(shù)據(jù)點而已；最后，這樣的網(wǎng)絡也不需要精心設計，而是以一種「自我組織」的方式自動連接。當然，這樣的網(wǎng)絡，還要在通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸模式上精心設計，以保證低功耗的要求，而且數(shù)據(jù)傳輸在此基礎(chǔ)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(guī)模網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸算法，而且還需要制定新的標準，保證不同的智能微塵系統(tǒng)能被連接在一起。如果解決了互聯(lián)網(wǎng)的難題，我們就能透過云端服務器，來收集智能微塵網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)。這樣新的難題又來了。如今的移動終端僅限于個人計算機、平板計算機和手機，即便這樣，我們已需要面對海量的數(shù)據(jù)整理、儲存和分析，也就是現(xiàn)在的熱門話題——大數(shù)據(jù)。當我們制作智能微塵網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目一下增加了好幾倍，每個節(jié)點又會全天候不間斷采集環(huán)境物理量，這樣我們面對的，不僅是大數(shù)據(jù)，而是超級大數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)量將隨著數(shù)據(jù)終端的數(shù)目，呈現(xiàn)超大規(guī)模的增長。這么大的數(shù)據(jù)量，我們現(xiàn)有的云端運算能應對嗎？如何處理這么大規(guī)模的數(shù)據(jù)？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(xiàn)階段的技術(shù)水準，物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴產(chǎn)品初露頭角。而智能微塵，其實可以看作是終極的物聯(lián)網(wǎng)。智能微塵是下一代的超級物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集終端。它所帶來的未來，使得這個概念成為下一代技術(shù)中，一顆耀眼的明珠。這種微塵傳感器網(wǎng)絡，能被用于氣象預報、地質(zhì)檢測、災難救援、無人監(jiān)控、醫(yī)療應用、外星探測及軍事情報收集等領(lǐng)域。但想實現(xiàn)這項愿景，卻面臨諸多困難的課題：它需要微處理器、通訊模塊、傳感器模塊、電源模塊的高度單片集成，先進的高密度電池技術(shù)和自充電技術(shù)，以及新的網(wǎng)絡傳輸技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等。想實現(xiàn)智能微塵，需要整個工業(yè)界的推動和進步，不是一兩個創(chuàng)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，有誰能在計算機剛誕生時，預見如今集成度如此高的智能機系統(tǒng)、可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)？又有誰能預見如今的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)？