SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

SEMINAR

UVOD U NANOZNANOST

Bežične mreže nanosenzora

Grković Lovro

Jović Dino

Karač Marija

Počepan Davor

Zagreb, siječanj 2014.

Sadržaj

1. Uvod ..................................................................................................................... 3

2. Nanokomunikacije ................................................................................................ 4

2.1. Molekularne nanokomunikacije ..................................................................... 5

2.2. Elektromagnetske nanokomunikacije ............................................................ 5

2.2.1. Nanoprijemnik i nanoodašiljač ........................................................................................ 7

2.2.2. Radijski kanal u području teraherca ................................................................................ 8

3. Bežične mreže nanosenzora .............................................................................. 11

4. Arhitektura bežične mreže nanosenzora ............................................................ 13

5. Zaključak ............................................................................................................ 14

1. Uvod

Senzor ili pretvornik je ureĎaj koji mjeri fizikalnu veličinu (npr. temperaturu,

tlak...) i pretvara je u signal pogodan za daljnju obradu. Sa senzorima se susrećemo

u svakodnevnom životu i gotovo da ne postoji neki tehnološki proizvod koji u sebi ne

sadrži barem jedan senzor.

Razvojem nanotehnologije pojavili su se nanosenzori koji u gotovo svim

svojim segmentima nadilaze mogučnosti klasičnih makro-senzora. Dimenzije

nanosenzora se mjere u desecima nanometara, a kako bi detektirali veličine koje nas

zanimaju koriste se razne nanočestice, ugljikove nanočestice, nano-žice, kvantne

točke, itd. Područje njihove primjene je šire od primjene klasičnih senzora upravo

zbog njihovih malih dimenzija, veće osjetljivosti, selektivnosti i manjeg vremena

odziva te manje potrošnje energije od klasičnih senzora. Njihova najvažnija uporaba

je u medicini i osnova su za izgradnju nano proizvoda poput čipova i nano robota. Za

njihovu izgradnju se trenutno najviše koriste metode:

- top-down lithography

- bottom-up assembly

- molecular self-assembly

Slika 1. Podjela nanosenzora

Nanosenzori su svi biološki, kemijski ili mehanički senzori koji informacije o

nano česticama šalju u makro svijet. Tako se osim samog razvoja nanosenzora radi i

na razvoju njihove meĎusobne komunikacije, ali i komunikacije s makro okolinom što

je potaknulo nastanak novog znanstvenog područja – nanokomunikacije.

2. Nanokomunikacije

Kao što je već gore navedeno, kad govorimo o nanokomunikacijama,

govorimo o znanstvenom području koje se odnosi na bežične komunikacije izmeĎu

senzora i makro okoline. Ono se bavi svom tematikom i problematikom običnih

bežičnih senzorskih mreža.

Nanokomunikacije možemo podijeliti na dva dijela:

1. Molekularne nanokomunikacije

2. Elektromagnetske nanokomunikacije

Slika 2. Osnovna podjela bežičnih mreža nanosenzora

2.1. Molekularne nanokomunikacije

Kod ove vrste komunikacije prijenosni medij su molekule. Molekularne

primopredajnike je zbog njihovih dimnezija i domene u kojoj rade lako integrirati u

nano ureĎaje. Prijemnik je napravljen tako da reagira u dodiru s odreĎenom

molekulom koja nosi informaciju dok je odašiljač napravljen tako da može otpustiti

točno odreĎenu molekulu kad za to dobije naredbu ili nakon što obavi odreĎeni

proces. Otpuštene molekule koje nose informaciju mogu putovati spontanom

difuzijom kroz fluidni medij (diffusion-based), difuzijom kroz fluidni medij čiji tok je

točno odreĎen (flow-based) ili uz pomoć aktivnih nosioca koji ih prenose prethodno

odreĎenim putanjama (walkway-based).

2.2. Elektromagnetske nanokomunikacije

Obuhvaćaju komunikaciju na nano razini putem elektromagnetskih valova.

Komunikacija je vrlo slična makro bežičnoj komunikaciji što podrazumjeva sam fizički

komunikacijski sloj (radijski kanal), sve komunikacijske protokole i mrežne topologije.

Najzanimljiviji dio ovog sustava je upravo radijski kanal pošto za njega ne možemo

predvidjeti kakav će biti na strani prijemnika već ga opisujemo vjerojatnosnim

modelima. Najbitniji element je antena jer njenim odabirom možemo uvelike utjecati

na kvalitetu bežične komunikacije. Za antenu se preporučuje da njena fizička duljina

iznosi pola valne duljine emitiranih magnetskih valova pošto je frekvencija

komunikacije u obrnuto proporcionalnom odnosu s njenom fizičkom duljinom. Prema

tome zaključujemo da će za komunikaciju s nanoantenama biti potrebne vrlo velike

frekvencije u raspon od megaherca do teraherca kako bi antene bile što manjih

dimenzija.

Riješenja na nanoskali nisu ograničena samo trenutno postojećom

tehnologijom za izradu nano ureĎaja nego i zakonima fizike. Na primjer, ne možemo

o nanosenzoru razmišljati kao jako umanjenom i pojednostavljenom klasičnom

senzoru. Postoje veliki kompromisi izmeĎu veličine nanosenzora, njegovih

mogućnosti i vrsti aplikacije u kojoj se može koristiti. Zbog toga nastaju problemi koje

je potrebno riješiti na ovom području:

- Konstrukcija antene

- Razrada modela radijskog kana u nano području

- Odabir frekvencije rada i zadovoljavajuće prijenosne brzine

- Razrada modela smetnji u nano području i njihova eliminacija

2.2.1. Nanoprijemnik i nanoodašiljač

Odašiljač i prijemnik na nanoskali se razlikuju i po izgledu i po principu rada od

klasičnih radijskih prijemnika i odašiljača. Najveća razlika je u tome što je kod njih uz

električan efekt na samoj anteni bitan i onaj mehanički. Na slici 3 možemo vidjeti

klasičan radio odašiljač u makro svijetu koji se sastoji od VF oscilatora, zvuka

(informacije), pojačala i antene. Nanoantena izgraĎena od ugljikove nanocijevčice

uspješno zamjenjuje sve te elemente praktički odjednom.

Slika 3. Klasičan radio odašiljač

Ugljikova nanocijevčica ima dobra električna i mehanička svojstva zbog kojih

se može koristiti kao nanoodašiljač ili prijemnik. Dovoljno je elastična za mehaničke

titraje, a ima i dobru električnu vodljivost za prijenos električnih signala (informacije)

Slika 4. Principijalna shema nanoodašiljača/nanoprijemnika

2.2.2. Radijski kanal u području teraherca

Za kvalitetnu komunikaciju izmeĎu samih nanosenzora kao i nanosenzora i

makro okoline potrebno je modelirati radijski kanal u nanosvijetu. Neke od pojava do

kojih dolazi u ovom kanalu dogaĎaju se i u normalnom širenju elektromagnetskih

valova dok dolazi i do pojava koje su netipične za širenje elektromagnetskih valova u

makro svijetu.

Podjela modela kanala:

Gubici rasprostiranja

Šum

Kapacitet kanal

Gubici rasprostiranja

Uz klasično gušenje signala zbog širenja tokom propagacije u nanosvijetu dolazi i do

gušenja zbog molekularne apsorcije. Klasično gušenje signala zbog širenja ovisi o

frekvenciji vala te o udaljenosti do koje val propagira. Do gušenja signala zbog

molekularne apsorcije dolazi zbog pretvaranja energije vala u kinetičku energiju nekih

molekula koje mu se naĎu na putu. Ovo gušenje ovisi o koncentraciji i mješavini

odreĎenih molekula duž puta propagacije. Različite molekule rezoniraju na različitim

frekvencijama, no apsorcija do koje dolazi nije ograničena na samo molekule čija je

frekvencija jednaka frekvenciji vala već i na neke druge molekule sličnih svojstva.

Upravo zbog toga je ovakav radijski kanal u nano svijetu dosta frekvencijski

selektivan, odnosno, neke frekvencije može gušiti mnogo više od drugih.

Kod gubitaka mogu se još spomenuti i gubici zbog višestaznog širenja vala te gubici

zbog Rayleighovog raspršenja.

Šum

Kod nanokomunikacija najveći izvor šuma je molekularna apsorcija. Ona naime, ne

samo da guši signal već i unosi ne tako zanemarivu razinu šuma u koristan signal.

Ovaj šum ovisi o tome kakva se mješavina molekula nalazi na samom putu koji val

prolazi te o broju odreĎenih molekula. Problem koji se ovdje javlja je to što

molekularni šum po svojoj spektralnoj karakteristici nije niti bijeli šum, niti Gaussov

šum. Bijeli šum i Gaussov šum u makro svijetu su najrasprostranjeniji oblici šuma u

komunikacijama te ih se modernom tehnologijom lako eliminira postojećim filtrima.

Ovdje taj problem još uvijek nije do kraja riješen. Sa slike 5 može se vidjeti da u

terahercnom kanalu pri udaljenostima komunikacije većim od 10mm postoje jaki

propadi u jačini signala. Ti propadi su upravo svojstvo molekularnog šuma te mogu

ozbiljno narušiti nanokomunikaciju.

PredviĎa se da će se za komunikaciju izmeĎu samih nanosenzora koristiti terahercno

područje (0.1-10THz), pošto su za male udaljenosti gubici (atenuacija) tamo

prihvatljivi. Dok će se za komunikaciju izmeĎu nanosenzora i makro svijeta koristiti

frekvencije ispod 1 THz jer je u tom području povoljnija propagacija za veće

udaljenosti. Ovakvo riješenje je dobro, pošto nam je jako bitno da pri meĎusobnoj

komunikaciji nanosenzora možemo ostvariti jako male antene dok je pri komunikaciji

nanosenzora i makro okoline dospustivo da te antene budu malo veće pošto u

našem sustavu one neće biti ni približno toliko rasporostranjene kao antene na

samim nanosenzorima.

Slika 5. Frekvencijska karakteristika terahercnog kanala u nanosvijetu. Gubici su

prikazani u dB.

Slika 6. Frekvencijska karakteristika molekularnog šuma u terahercnom kanalu. Šum

je prikazan temperaturom šuma u Kelvinima.

Frekvencijska karakteristika kanala sa slike 5 je snimana pri temperaturi od

296K pri tlaku jedne atmosfere i sa 1% molekula vode u okuženju.

Kapacitet kanala

Brzina koju možemo postići u nanokomunikaciji , na sreću, vrlo je velika.

Velika brzina nam je potrebna zbog toga što nanosenzori moraju odašiljati veliku

količinu informacija sa nanoskale u makro svijet. Nanosenzori reagiraju i skupljaju

informacije za gotovo svaku pojedinu molekulu sa kojom doĎu u dodir te tako

generiraju bilijune dogaĎaja koji trebaju biti odaslano. Gustoća postavljenih

nanosenzora takoĎer je ogromna.

Sam kapacitet najviše ovisi o udaljenosti komuniciranja i moleklarnoj strukturi medija.

Ako u obzir uzmemo da udaljenost neće biti veća od desetak milimetara (kod

bežičnih nano mreža) prijenosne brzine će nam se moći popeti sve do par terabita po

sekundi.

3. Bežične mreže nanosenzora

Bežične mreže nanosenzora mogu se podijeliti u četiri glavne skupine:

- Biomedicinske

- Vojne

- Industrijske

- Ekološke

Biomedicinske aplikacije

Veliki broj aplikacija bežičnih mreža nanosenzora se koristi u području

biomedicine. Nanoskala je prirodna domena molekula, proteina, DNA, organela i

večine staničnih komponenata. Biološki nanosenzori nam služe kao sučelje izmeĎu

bioloških fenomena i električkih nano ureĎaja.

Natrij, glukoza i ostali ioni u krvi, kolesterol, stanice raka ili prisustvo ostalih

različitih infektivnih prenosioca se mogu pratiti korištenjem nanosenzora. Različiti

nanosenzori rasporeĎeni po različitim dijelovima ljudskog tijela mogu tvoriti

nanosenzorsku mrežu pomoću koje se može pratiti razina različitih supstanci u

ljudskom tijelu. Što je još zanimljivije, bežično sučelje izmeĎu nanosenzora i mikro-

ureĎaja kao što je na primjer mobitel ili neka specijalizirana medicinska oprema se

može iskoristiti za prikupljanje svih tih podataka i prosljeĎivanje do nadležnog

medicinskog osoblja (slika 7).

Slika 7. Bežična mreža nanosenzora

Vojne aplikacije

Komunikacija izmeĎu nanosenzora donijela je brojne nove mogućnosti za

izradu aplikacija za korištenje u vojnoj industriji. Na primjer kemijski i biološki

nanosenzori se mogu iskoristiti za otkrivanje štetnih kemikalija i biološkog oružja.

Jedna od glavnih prednosti korištenja nanosenzora ispred klasičnih kemijskih

senzora je ta što klasični kemijski sastojci mogu biti otkriveni do koncentracije od

nekoliko molekula. Pomoću kemijskih nanosenzora se takoĎer može dobiti natrag

molekularna kompozicija neke prostorije ili bojnog polja bez potrebe za velikom

opremom kao što su ureĎaji koji se koriste za spektroskopiju.

Industrijske i ekološke aplikacije

Aplikacije nanotehnologije sežu od novih rastezljivih i savitljivih elektroničkih

ureĎaja i tekstilnih materijala za inteligentno samočišćenje do kemijskih nanosenzora

koji prate kemijske sastave koji se ispuštaju i razmjenjuju izmeĎu biljaka.

Primjene bežičnih mreža nanosenzora su praktički neograničene, a sve se

temelji na izradi nanosenzora koji bi se u idealnom slučaju ponašao kao neovisna

jedinica sa svojim napajanjem, procesorom, memorijom, senzorom, aktuatorom te

prijemnikom/odašiljačem.

4. Arhitektura bežične mreže nanosenzora

MeĎusobna povezanost nanosenzora i nanoaktuatorskih ureĎaja, postojanje

bežične mreže i na posljetku Interneta, zahtjevaju razvoj novih mrežnih arhitektura.

Primjer jedne takve je gore navedeni primjer za pračenje zdravlja pacijenta. Ona se

sastoji od nano-čvorova, nano-rutera, nano-mikro sučelja i prolaza.

Nano-čvorovi su sposobni izvršavati jednostavne izračune, imaju ograničenu

memoriju i mogu odašiljati na vrlo male udaljenosti, uglavnom zbog njihove smanjene

energije i ograničenih komunkacijskih mogućnosti.

Nano-ruteri imaju veću sposobnost izračuna od nano-čvorova i pogodni su za

prikupljanje informacija od ograničenih nanosenzorskih ureĎaja. Oni takoĎer mogu

poslužiti za kontrolu ponašanja nano-čvorova preko jednostavnih kontrolnih naredbi

kao što su on/off, sleep, read, value, itd.

Nano-mikro sučelja se koriste za skupljanje informacija od nano-rutera kako bi

ih prebacili u mikro skalu i obrnuto. Smatraju se hibridnim ureĎajima koji su sposobni

komunicirati na nanoskali koristeći nanokomunikacijske tehnike kao i koristiti klasičnu

komunikaciju u konvencionalnim komunikacijskim mrežama.

Prolazi (eng. Gateway) su ureĎaji koji služe za daljinsko upravljanje

nanosenzorske mreže preko Interneta.

Slika 8. Arhitektura bežične mreže nanosenzora

5. Zaključak

Bežične mreže nanosenzora imati će ogroman utjecaj u gotovo svakom

pogedu našeg života. Iako se dosta radilo na nanokomunikaciji postoji još uvijek

dosta neriješenih problema. Zapravo, još uvijek ne postoji niti integrirani nanosenzor

koji bi u sebi imao nano odašiljač/prijemnik, jedinicu za napajanje, procesor,

memoriju, senzor te aktuator. U samoj nanokomunikaciji radi se na razvoju

nanoantena, ispituju se novi materijali i kemijski premazi koji bi nanoantenu učinili

puno efikasnijom. Radi se i na izboru oblika impulsa kojima bi se komuniciralo,

metodi višestrukog pristupa nanokanalu, nano antenskim nizovima, kodiranju u

nanokanalu, modulacijama za nanokomunikacije te na mnogim drugim riješenjima.

Tek kada se većina tih problema riješe moći ćemo govoriti o stavljanju

nanosenzorskih mreža (i nanosenzora) u komercijalnu upotrebu kako je to na

početku i zamišljano.