РОЛЬ ХИМИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ В МИРЕ ТРИЛЛИОНОВ ДАТЧИКОВ THE ROLE OF CHEMICAL SENSORS IN THE TRILLION SENSOR UNIVERSE
ВВЕДЕНИЕ
Миллиарды сотовых телефонов — пример того, как развитие технологий может привести к экспоненциальному росту продуктов и услуг: сегодня сигнал сотового телефона на нашей планете более доступен, чем чистая питьевая вода! Наша потребность в информации обо всем на свете — окружающей среде, собственном теле, состоянии наших жилищ, общественных и личных активов — будет расти колоссальными темпами и в недалеком будущем человечеству потребуются триллионы датчиков.
Сегодня прогнозируют переход человечества к состоянию, называемому "Abundance" (Изобилие <www.abundancethebook.com/>); бестселлер с таким названием рассказывает о том, как техника и технологии приведут нас к миру, в котором будут удовлетворены основные потребности каждого человека в воде, пище, энергии, здравоохранении, образовании и свободе. Для осуществления этих грандиозных планов потребуются триллионы датчиков, которые обеспечат необходимый уровень "осведомленности". Обширная группа футурологов из приборостроительного сообщества создала дорожную карту перехода человечества к состоянию триллионов датчиков и спрогнозировала последствия его достижения. Ее обсуждение состоялось в Стэнфордском университете (Калифорния, США)
На рис. 1 изображен сегодняшний рынок датчиков, насчитывающий порядка 3,5 млрд штук благодаря взрывному распространению мобильных устройств. Именно им рынок, очевидно, обязан миллиардами физических датчиков температуры, давления, ускорения, близости и др. в потребительских товарах, медицинском оборудовании, транспортных средствах и промышленных изделиях.
Устройства, используемые населением и в общественной инфраструктуре создали рынки датчиков колоссальных масштабов. По прогнозу системы, поддерживающие всеобщее развитие и решение глобальных проблем, таких как борьба с голодом, обеспечение чистой водой и свежим воздухом, противодействие глобальному потеплению, распространение экологически чистых ис-
точников энергии и предоставление универсальных услуг здравоохранения по доступной цене, подстегнут потребность в триллионах датчиков.
ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Каково место химических датчиков в этом движении к триллионам? Трудно представить себе достижение любой из этих целей без возможности восприятия характеристик газообразного топлива, загрязнителей воды и воздуха, а также медицинских условий, выражающихся в наличии определенных химических и биохимических соединений. Более того, имеет место важная социальная тенденция и потребность в датчиках, предоставляющих человеку информацию о собственном здоровье, окружающей среде и потребляемых продуктах, и в том, чтобы эта информация поступала от датчиков, интегрированных в товары повседневного спроса: сотовые телефоны, наручные часы и одежду.
Газовые датчики предоставляют ключевую информацию о качестве воздуха, угрозах здоро-
Прогнозы триллионов датчиков
100000000000000 10000000000000 1000000000000 100000000000
л
10000000000
Si ü
d 1000000000 100000000
10000000
Ь 4 - 4
3- о> Ш kJ
с --2
èf/ -1
7
2007 2012 2017 2022 2027 2032 2037
Рис. 1. Благодаря рынку мобильных устройств сегодня существует и рынок датчиков объемом 3,5 млрд долл. США:
А — Лаборатория QCOM Swarm, Калифорнийский университет в Беркли; — фирма Bosch; ES — фирма Hewlett-Packard (Хьюлет-Паккард); О — корпорация Intel; □ — интернет-устройства корпорации Texas Instruments; 1 — бурный рост распространения датчиков для мобильных устройств; 2 — прогноз Йельского университета по МЭМС, 2012 г.; 3 — десятилетний постоянный рост; 4 — прогноз "Триллионы датчиков"
шш
Датчики и Системы • № 6.2015
59
2010 2020 2030 2040
Рис. 2. В соответствии с теорией изобилия глобальная потребность в датчиках и способность производить их в нужном количестве сравняются около 2030 г.:
1 — глобальные возможности обеспечения товарами и услугами благодаря быстроразвивающимся технологиям; 2 — глобальная потребность в товарах и услугах; их пересечение — изобилие
вью и опасных состояниях, энергоэффективности; они могут даже анализировать человеческое дыхание на предмет возможных заболеваний или показатели состояния организма. Каким же образом удастся произвести в столь огромном количестве недорогие химические датчики с требуемыми характеристиками?
Как свидетельствует история, от изобретения датчика до начала его массового производства может пройти 20 и более лет. При этом датчики, необходимые для определения состояния здоровья и информирования об окружающей обстановке, должны быть способны к восприятию динамически изменяющихся свойств в отличие от просто информационных сигналов. Технология химических и биологических датчиков, которая необходима к спрогнозированному на 2030 г. "Изобилию", обеспечивающему основные потребности человека, будет разработана в целях обеспечения сенсорных способностей, возможностей интеграции и массового производства (см. рис. 2). Разнообразие химических соединений создает колоссальные проблемы при создании датчиков, работоспособных в быстро изменяющихся во времени и пространстве химических и биохимических ситуациях.
Большие рынки, очевидно, появятся благодаря нарастающим глобальным тенденциям, таким как Abundance (Изобилие), CeNSE (Central Nervous System of the Earth — проект глобального размещения датчиков), Интернет вещей, Digital Health (цифровое здоровье), контекстные вычисления
(Context Computing), IBM 5-in-5 senses for computers (предложенная корпорацией IBM концепция компьютера, обладающего пятью чувствами) и т. п. — всем им потребуется множество химических датчиков от простых индикаторов загрязнения воды и воздуха до сложных средств диагностики содержания жидкости в организме, состояния здоровья или токсичности.
Химические датчики уже проникли на рынки мобильных устройств — достаточно упомянуть датчики влажности, встроенные в сотовые телефоны Samsung S4, и органических изменений, реализованных в "аппсессуарах". Проблема создания химических датчиков, пригодных для массового производства, налицо.
АДАПТАЦИЯ
Сегодня имеются несколько развивающихся технологий, способных перевести химические датчики в "триллионный" мир.
Примеры "печатных" и МЭМС-датчиков уникальны благодаря не только их улучшенным характеристикам, но и относительно низкой себестоимости. Они допускают массированную интеграцию с быстрорастущими технологиями: биотехнологией и биоинформатикой, вычислительной техникой, сенсорными сетями, системами искусственного интеллекта, робототехникой, цифровым производством, бесконечными вычислениями, медициной, наноматериалами и нанотех-нологиями.
Мир, в котором нам предстоит жить, в значительной степени будет зависеть от того, как мы разрабатываем и применяем химические датчики; последние, наряду с биодатчиками, должны стать одной из самых многообещающих технических инноваций.
ОБ АВТОРАХ
Д-р Джозеф Р. Стеттер — президент компании KWJ Engineering Inc. Работая в Национальной лаборатории Аргонн (Иллинойс, США) в 1980-х гг. руководил разработкой первых интегральных действующих приборов на основе сенсорных матриц с распознаванием образов — сегодня такие приборы называют электронными носами.
Эдвард Ф. Стеттер — финансовый директор компании KWJ Engineering Inc.
Источник: The Role of Chemical Sensors in the Trillion Sensor Universe. By: Edward F. Stetter, Dr. Joseph R. Stetter. <www. sensorsmag.com/chemical-gas/role-chemical-sensors-trillion-sensor-universe-17488>.
60
Sensors & Systems • № 6.2015
ШЖ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.