納米技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0相遇的地方

由于記錄更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的能力和自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析方法的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè) 4.0 正在顯著增長(zhǎng)。最近的軟件、算法和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)步使許多傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，除非系統(tǒng)本身通知，否則不需要操作員。這些新的傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理方法被用于從智能建筑到工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各種應(yīng)用——在這些應(yīng)用中，每個(gè)環(huán)境都可以根據(jù)最近獲得的數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)輕松優(yōu)化。在許多情況下，他們可以自己自動(dòng)更改內(nèi)部條件，并且只會(huì)在出現(xiàn)問(wèn)題或數(shù)據(jù)趨勢(shì)顯示即將停機(jī)時(shí)通知操作員。

當(dāng)您想到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，雖然納米技術(shù)并不是每個(gè)人的第一個(gè)想法，但納米技術(shù)已經(jīng)通過(guò)多種方式幫助推動(dòng)這一數(shù)據(jù)優(yōu)化領(lǐng)域；并且將來(lái)會(huì)有可能用于商業(yè)用途的區(qū)域。這些領(lǐng)域的范圍從最初的測(cè)量點(diǎn)到使用納米材料建立信息交換網(wǎng)絡(luò)。

提高傳感器的能力

物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 的核心是傳感器本身。也許從納米技術(shù)中獲益最多的領(lǐng)域是初始數(shù)據(jù)測(cè)量。隨著軟件和數(shù)據(jù)分析方法的進(jìn)步，它們可以處理更多的數(shù)據(jù)；初始數(shù)據(jù)點(diǎn)越準(zhǔn)確，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)就越準(zhǔn)確。

將納米材料作為“傳感材料”結(jié)合到各種類型的傳感器中是有據(jù)可查的，使用它們可以提高效率。納米材料的小尺寸——特別是二維材料，如石墨烯——通常提供可以檢測(cè)環(huán)境變化的高表面積。現(xiàn)在，并不是每一種傳感機(jī)制都是相同的——有些是遠(yuǎn)程的，有些是通過(guò)分子的吸收，還有一些是對(duì)物理變化的反應(yīng)（等等）。

納米材料具有使這些機(jī)制有效工作的各種特性——無(wú)論是通過(guò)可測(cè)量的距離光學(xué)變化、在其表面吸附原子，還是彎曲、拉伸或壓縮的能力。一些納米材料可以執(zhí)行這些機(jī)制中的至少一種，如果不是全部的話。高靈敏度以及因此更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通常歸因于納米材料的高導(dǎo)電性和載流子遷移率。當(dāng)某些東西被感知時(shí)（通過(guò)吸附、物理變化等），感知機(jī)制會(huì)引起納米材料電導(dǎo)率的變化，然后將其檢測(cè)為可測(cè)量的響應(yīng)。由于納米材料內(nèi)部的電導(dǎo)率和電荷載流子遷移率通常很高（即通常使用高電導(dǎo)率的納米材料），因此靈敏度高，

納米物聯(lián)網(wǎng) (IoNT)

納米技術(shù)可以與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的第二個(gè)領(lǐng)域是創(chuàng)建一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由納米材料組成，通過(guò)在納米級(jí)別相互通信的不同組件促進(jìn)數(shù)據(jù)交換。這被稱為納米物聯(lián)網(wǎng) (IoNT)。在發(fā)展方面，它還沒(méi)有達(dá)到其他物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的水平，但它正在吸引通信和醫(yī)療領(lǐng)域的興趣。一個(gè)這樣的例子是在需要遙感的基于現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，或者用于測(cè)量人體中的不同點(diǎn)。

系統(tǒng)如何運(yùn)作

與任何系統(tǒng)一樣，都有多個(gè)組件，IoNT 也不例外。這些組件之間還有兩種常見(jiàn)的通信方式，即電磁納米通信（電磁波的傳輸和接收）和分子通信（分子編碼的信息）。至于組件本身，IoNT 有四個(gè)主要區(qū)域有助于促進(jìn)信息傳輸——它們是納米節(jié)點(diǎn)、納米路由器、納米微接口設(shè)備和網(wǎng)關(guān)。

納米節(jié)點(diǎn)是 IoNT 設(shè)置中最簡(jiǎn)單和最小的組件，被視為基本的納米機(jī)器。這些小型納米機(jī)器用于傳輸數(shù)據(jù)和執(zhí)行基本計(jì)算。然而，它們的小尺寸（和能量）限制了它們可以傳輸數(shù)據(jù)的距離，并且它們擁有非常小的內(nèi)部存儲(chǔ)器。然而，它們可以放置在特定位置并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁蟮募{米路由器，然后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的距離。因此，納米節(jié)點(diǎn)通常可以是系統(tǒng)的實(shí)際傳感器組件。

納米節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞到納米路由器，這是一個(gè)具有更大計(jì)算能力的納米機(jī)器。因?yàn)樗鼈儞碛懈叩挠?jì)算能力，所以它們充當(dāng)所有獲取初始數(shù)據(jù)的周圍納米節(jié)點(diǎn)的聚合器。然后它們可以控制納米節(jié)點(diǎn)之間的交換命令，并將信息發(fā)送到納微接口設(shè)備。這些接口設(shè)備聚合來(lái)自納米路由器的所有數(shù)據(jù)，并結(jié)合使用納米通信技術(shù)和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⑿停ǚ粗嗳唬?。然后網(wǎng)關(guān)充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的控制器，并使數(shù)據(jù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在任何地方訪問(wèn)。

結(jié)論

工業(yè) 4.0 才剛剛出現(xiàn)，并將在未來(lái)幾年繼續(xù)推進(jìn)。這是一個(gè)給定的。然而，盡管現(xiàn)在許多行業(yè)都使用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、云計(jì)算和數(shù)據(jù)操作方法，但可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)——就像計(jì)算一樣——數(shù)據(jù)傳輸需要通過(guò)更小的架構(gòu)進(jìn)行。當(dāng)商業(yè)上有直接需求時(shí)，IoNT 的基礎(chǔ)工作將使它能夠在工業(yè) 4.0 真正占據(jù)所有行業(yè)部門時(shí)使用。

審核編輯：湯梓紅