Gribi redzēt nākotni? Īsteno utopiju!

 

Angļu rakstnieks Oskars Vailds teicis, ka progress ir utopijas īstenošana. Šķiet, līdzīgu vadmotīvu izvēlējies arī pazīstamais Vācijas nākotnes tehnoloģiju pētniecības institūts Fraunhofer Gesellshaft, kura piedāvātie inovatīvie risinājumi būtu lielisks ieguldījums ne vien Vācijas, bet arī visas Eiropas tautsaimniecībā.

 

Elektroniskie putekļi

 

Nākotnes datori būs tik sīciņi, ka tos varēs ievietot elektroniskā drupatā, kas būs smilšu graudiņa lielumā. Tomēr atšķirīgi būs ne tikai to izmēri. Šie mazie, gudrie datoriņi jeb elektroniskie sensori automātiski, bez cilvēka iejaukšanās, spēs savstarpēji sazināties ar bezvadu datu pārraides palīdzību, veidojot neredzamu tīklu, kurā sačukstēsies tādi kā elektroniskie rūķīši…

Šie sensori apmainīsies ar informāciju, ziņojot, piemēram, par pārāk augstu temperatūru vai paaugstinātu vibrācijas līmeni, tie dažu sekunžu laikā spēs uziet elektronisko komponentu vai ēkas konstrukciju bojājumu, vai arī kāda tilta bīstamu pārslodzi pārmērīgi lielās kravas automašīnu plūsmas dēļ. Mikrotīkls spēs pārbaudīt, vai ikvienā noliktavas stūrītī tiek uzturēta optimālā temperatūra kāda īpaši jutīga pārtikas produkta glabāšanai. Un lai gan šādas fantastiskas sensoru komandas šobrīd vēl neeksistē, Vācijas Fraunhofer drošības un mikrointegrācijas institūta laboratorijās un zinātnieku prātos tās pamazām iegūst aizvien konkrētākas aprises.

Fraunhofer institūta direktors profesors Herberts Reihls (Herbert Reichl) nodēvējis šos mikroprocesorus par eGraudiņiem. Lai gan šobrīd tie vēl ir vesela kubikcentimetra (cukurgrauda) lielumā, tie ir jau daudz mazāki modeļi nekā institūta laboratorijās radītie pirms pāris gadiem. Pētnieki ir pārliecināti, ka jau pēc dažiem gadiem izdosies radīt mikroprocesorus sērkociņa galviņas lielumā. Viņu mērķis ir radīt sensoru tīklu, kuru veidotu individuālas, pašpietiekamas, miniatūras mikrosistēmas. Katrs tīkls sastāvēs no sensora, procesora, barošanas avota un informācijas transporta elementa. Pretstatā tradicionālajiem bezvadu transponderiem šie negaidīs, kamēr lasošā iekārta uzdod jautājumu, bet reaģēs tūlīt. Tie paši izveidos tīklu un paši pārraidīs datus.

 

Visi komponenti mazā mikroshēmā

Vislielākais izaicinājums ir visu komponentu savienošana, lai ekonomētu vietu. Lai to izdarītu, IZM pētnieki izvēlējās vismazāk iestaigāto ceļu – nevis izvietot komponentus uz pamatnes citu aiz cita, bet atsevišķas detaļas – baterija, atmiņa, procesors, bezvadu modulis – tiek iestrādātas funkcionālos slāņos, kurus novieto citu virs cita. Radot šādu kompaktu sistēmu, tā darbojas, ja atsevišķie slāņi veido elektrisku kontaktu (elektrisko pāri). Šāda trīsdimensiju metode ir pilnīgi novatoriska mikrointegrācijas pieeja.

Rūpnieciski izgatavotie plānie funkcionālie slāņi satur kopā alternatīvos metāla un plānas polimēra plēves slāņus. Tomēr daži komponenti nav pietiekami mazi, un integrācijas process vēl jāturpina. Piemēram, plānas polimēra baterijas ar eGraudiņiem piemērotiem izmēriem un elektriskajiem parametriem vēl nemaz neeksistē. IZM zinātnieki gan neuzskata to par būtisku miniaturizācijas šķērsli. Lielākais akcents jāliek uz dažādu integrācijas procesu izstrādi, kurus varētu izmantot visdažādākajiem mērķiem. Fraunhofer zinātnieki negrasās radīt unikālu eGraudiņu vai vienreizēju prototipu. Viņu mērķis ir izstrādāt metodes un tehnoloģiju, kuru varētu izmantot lētā, liela apjoma ražošanas vidē.

Fraunhofer institūta pašpietiekamo mikrosistēmu projekta komanda cieši sadarbojas ar dažādiem uzņēmumiem, kuri interesējas ne tikai par mazajiem eGraudiņu procesoriem, bet arī par jau ieviesto tehnoloģiju netradicionālu izmantošanu. Šis projekts devis pirmos komerciāli izmantojamos rezultātus. Piemēram, firma Esys, kas atrodas Berlīnē un ražo digitālās datu noliktavas (loggers), tuvākajā nākotnē plāno sākt ražot mikrosensorus loģistikas un preču transportēšanas vajadzībām. Transportējot preces ar kravas automašīnām, kurās būs iebūvēti sensori, tie uzraudzīs, vai pārtikas produkti visās kravas nodalījuma vietās ir pietiekami atdzesēti, vai visur tiek uzturēts pareizais temperatūras režīms. Vai arī, pārvadājot trauslu kravu, sensori uzmanīs, vai kāda paciņa ar jutīgu vielu kādā straujākā pagriezienā nav nokritusi uz grīdas. Dati no visām paciņām vai konteineriem tiks savākti ar pašorganizējošā tīkla palīdzību un pārraidīti uz internetu, piemēram, ar bezvadu pieslēguma palīdzību. Tas ļaus firmai, kura sniedz kravu pārvadājuma pakalpojumus, jebkurā brīdī pārbaudīt, vai viss kārtībā, un uzraudzīt pārvadātājus.

 

Globālā virzība uz miniaturizētu elektroniku

Arī citu valstu inženieri izstrādā miniaturizētu viedo elektroniku. ASV Valsts aizsardzības departaments finansē t. s. gudro putekļu izstrādni, kuru sāka Bērklija universitātes pētnieki Kalifornijā. Sākotnēji projekts bija paredzēts tikai militāriem mērķiem. Viedo putekļu tīklu potenciāli varētu izmantot indīgo gāzu identificēšanai kara darbības zonās, izplatot to no lidmašīnas. Tiesa, šobrīd amerikāņu iekārtas vēl ir vairāku kubikcentimetru lielumā.

Bērklija universitātes pētnieki izstrādā arī risinājumus nākotnes mājai. Viens no tiem ir sensoru tīkls, kas spēj identificēt cilvēkus, kuri ieiet mājā, un pielāgot mājas elektronikas ierīces atbilstoši šīs personas ieradumiem/vajadzībām. Tas varētu attiekties uz jebkādu ierīci, sākot no stereosistēmas, kas atskaņo saimnieka iemīļoto melodiju, līdz apgaismes ķermeņu izstarotās gaismas mājīgam pieklusinājumam.

IZM zinātnieki šobrīd fokusē uzmanību uz potenciāliem lietojumiem loģistikā, ražošanas procesu kvalitātes nodrošinājumā, avārijas draudu brīdinājumam (novēršanai) un vides kvalitātes datu ierakstiem. Sensoru tīkli nākotnē varētu brīdināt par dabas katastrofu. Vai, izkaisot eGraudiņus laukā, zemnieki varētu noteikt, kurās vietās vajadzīgs papildu mēslojums. Tādējādi varētu izvairīties gan no augsnes pārmēslošanas, gan no ekoloģiskām katastrofām, kas rodas vides ķīmiskā piesārņojuma dēļ.

Eksperti piekrīt, ka sensoru bāzes mikrosistēmu tirgus ir ļoti liels, un nākamajā desmitgadē tas potenciāli varētu pārsniegt pat 50 miljardu eiro robežu gadā. Tomēr, kā rāda piemērs ar Esys, pirmos šo pētījumu rezultātus jau tagad var izmantot pat mazie un vidējie uzņēmumi. 

 

 

Vesela laboratorija mazā mikroshēmā

Nekļūdīgi un ātri rezultāti

Pasaulē pirmā elektroniskā biomikroshēma ar pārnēsājamas laboratorijas iespējām tika izstrādāta Vācijā. Tā automātiski spēj ātri un nekļūdīgi atrast patogēnus vai pat visniecīgākās piesārņojuma (piemēram, antibiotiku) pēdas. Vācijas federālais prezidents Horsts Kēlers pērn par šo izgudrojumu ar Vācijas Nākotnes balvu (German Future Prize) apbalvoja trīs zinātniekus no Fraunhofer institūta, Siemens un Infineon.

Elektroniskie biočipi tika izstrādāti, lai nodrošinātu ātras patogēnu un toksīnu analīzes par nelielām izmaksām. Bet kā to iespējams izdarīt ar mikroshēmu, kas nav lielāka par pirksta nagu?! Kā tā spēj aizvietot testus profesionālā laboratorijā? Mikroshēma satur daudz ļoti sīku zelta elektrodu. Pie tiem pievienotas dažādas fiziski neatkarīgas biomolekulas – receptori. Izmantojot atslēgas un slēdzenes principu, no analizējamā šķidruma selektīvi tiek izvēlēta specifiska gēnu secība vai konkrēts proteīna veids. Ja pretējā puse/dubultnieks (counterpart) savienojas ar receptora molekulu, rodas elektriskais signāls, kuru reģistrē un analizē integrētā elektroniskā mēriekārta. Tādējādi uzreiz var noteikt, vai pārtikas paraugs satur antibiotiku pēdas, vai asiņu paraugā ir kādas infekcijas vīruss.

 

Kā izmantojama portatīvā laboratorija?

Vācijas lielākajā ostā Hamburgā ik dienas piegādā vidēji 2000 tonnu kafijas, kā arī garšvielas, tēju un citus pārtikas produktus, kuri paredzēti lielveikaliem. Atbildīgajām institūcijām jāanalizē ievestās pārtikas paraugi, lai pārliecinātos, vai tā nesatur toksiskas vielas, piemēram, pesticīdus. Līdz šim tas bijis pietiekami sarežģīti, jo paraugiem jābrauc pakaļ, tie jāved uz laboratoriju un jāgaida rezultāti.

Pateicoties Fraunhofer Silicon tehnoloģiju institūtam, kas atrodas Minhenē, 50 km no Hamburgas, drīz šis process kļūs daudz vienkāršāks, jo pārtikas paraugus turpat ostā varēs pārbaudīt ar mazas (1/2 sērkociņu kastītes lielumā) portatīvās laboratorijas palīdzību. Fraunhofer zinātnieki izstrādājuši īpašas, ļoti mazas mikroshēmas. Ir arī speciāli pielāgota portatīvā laboratorija šķidrumu analīzei: pietiek ar vienu pilienu, kuru ievada mikroshēmas kanālā, kas ir tik tievs kā mats. Tas ir liels izaicinājums, jo ar šīm niecīgajām mikrolaboratorijām būs jāpārbauda milzīgs apjoms dažādu vielu paraugu. Tomēr, izdarot vajadzīgās ķīmiskās analīzes, ar šo metodi var atrast pat niecīgākos toksisko vielu piemaisījumus. Tas tāpēc, ka mikroshēmas ir pārklātas ar īpašām vielām, kas reaģē pat ar niecīgākajiem toksisko vielu piemaisījumiem pārtikas produktos. Ja tur šādas vielas ir un šāda reakcija notiek, tā izraisa nelielu elektriskās strāvas impulsu, kuru reģistrē silīcija mikroshēma. 

Protams, mazās mikroshēmas nav paredzētas, lai pilnībā aizvietotu stacionārās laboratorijas, bet gan tādiem gadījumiem, ja analīžu rezultāti vajadzīgi uzreiz un uz vietas. Piemēram, ilgtermiņa vides uzraudzības projektos nereti vajadzīgas vides piesārņojuma analīzes.

Arī nākotnē medicīnā ar šādu mikroshēmas laboratoriju ārsts varēs izdarīt analīzes un noteikt diagnozi turpat pie pacienta gultas, negaidot laboratorijas slēdzienu. Šādas asins analīzes spēs parādīt, piemēram, pat pašus niecīgākos simptomus un patogēnus, kas liecinās par sirdslēkmes tuvošanos, un ārsts varēs to novērst, laikus iedodot vajadzīgās zāles. Tieši tikpat vienkārši kā šobrīd var izdarīt grūtniecības testus, ar līdzīgām paketēm pacients pats varētu noteikt arī slimības (ir/nav) vai kāda medikamenta individuālo dozējumu.

 

Kā pakļaut troksni?

Troksnis padara cilvēkus nervozus, rada stresu, palielina sirdslēkmes risku, mazina darbaspējas, traucē miegu, neļauj koncentrēties. Vairāk nekā 100 miljonu cilvēku cieš no veselības problēmām, kas saistītas ar troksni. Adaptronika (adaptronics) ir tehnoloģija, kas cīnās ar troksni un risina šīs problēmas. Šis termins radīts, lai raksturotu jauno tehnikas un elektronikas adaptāciju.

Kuģa sirēnu, dzelzceļa, transporta troksnis. To var pilnībā likvidēt, iedarbinot t. s. akustisko akvāriju, kurš kompresē troksni un padara to cilvēka ausīm nedzirdamu.

Fraunhofer zinātnieki testa versijā šo atklājumu demonstrē ar šādu piemēru. Trokšņa avots – dūcošs skaļrunis – ievietots organiskā stikla traukā, kurš pārklāts ar metāla plāksni. Troksnis caur šo metāla plāksni nokļūst akvārija ārpusē. Ja adaptroniskie elektroniskie elementi, kas piestiprināti metāla plāksnei, tiek aktivizēti, dūcošā skaņa pazūd.

Šie intelektuālie komponenti darbojas gan kā sensori, gan kā aktivizētāji. Tie izmēra vibrācijas, izpēta datus pirms elektroniskās sistēmas pievienošanas un saņem no tās komandu izmērīt un sakompresēt  vibrācijas. Rezultātā dūcošais troksnis vairs nav dzirdams klausītājam, jo tas ir pārveidots, lai gan akustiskajā akvārijā tas turpinās.

Ar adaptronikas ierīcēm var izmērīt un kompresēt jebkura veida vibrācijas, piemēram, lidmašīnas motora, ledusskapja, blendera vai automašīnas motora rūkoņu. Eiropas pētnieku komanda šobrīd mēģina rast risinājumu, kā jauni adaptīvie materiāli varētu palīdzēt samazināt troksni apkārtējā vidē. Eiropas Savienība jau piekritusi ieguldīt šajā projektā 34 miljonus eiro. Projektu īsteno 40 partneri, kas nodarbojas gan ar izpēti, gan ar ražošanu, to skaitā piecas Fraunhofer institūta filiāles dažādās Vācijas vietās. Projekta nosaukums ir Intelektuāli materiāli aktīvai trokšņa novēršanai - IMANR (Intelligent Materials for Active Noise Reduction). Darbu koordinē uzņēmums LBF Darmštatē.

Pirmajā acumirklī šķiet, ka troksnim no automašīnām, vilcieniem un māju iekšējiem trokšņiem ir maz kopēja. Tomēr akustikas speciālisti atrod interesantas paralēles. Viens no projekta pētniekiem Holgers Hanselka saka, ka visos gadījumos trokšņi, kas nāk no ārpuses, mājas iekšpusē tiek uztverti kā ļoti traucējoši. 

Troksnis ir ļoti komplekss. Piemēram, automašīnā troksnis nāk no vairākiem avotiem – no motora, bremzēm un gaisa masas, kurai cauri brāžas auto. Visi mēģinājumi mazināt troksni līdz šim bijuši pasīvi, līdz šim visas pūles bijušas vērstas tikai uz trokšņa līmeņa samazināšanu, turklāt tas ticis darīts tikai platajās frekvenču joslās. Rezultātā tieši tās frekvences, kas faktiski rada trokšņa problēmu, netiek fiksētas un atdalītas.

Turpretī jaunie adaptīvie materiāli darbojas selektīvi, iespējams izvēlēties reģistru un likvidēt vienu atsevišķu (vainīgo) frekvenci. Inženieru patiesais profesionalitātes kritērijs ir viņu spēja izvietot troksni slāpējošos elementus precīzi visefektīvākajā vietā. Tieši tad šī trokšņa slāpētāja iedarbība vislabāk jūtama visā apkārtējā vidē. Arī vijole skan tikai tad, kad lociņš pieskaras stīgām, un tas notiek konkrētos punktos. Vijole rezonē, un arī aktīvā adaptroniskā sistēma darbojas līdzīgi. Automašīnas panelis vibrē no ielas trokšņiem, un, lai to novērstu, auto vadītājs inženieru precīzi noteiktos punktos izvieto trokšņu slāpētājus no īpaši pielāgota keramikas materiāla. Un nekādi trokšņi vairs nenonāks jūsu mašīnā!

Keramika var pārvērst elektriskos impulsus mehāniskajos vai otrādi. Ir arī daudz citu materiālu, ko var lietot. Tos var piestiprināt pie logu rūtīm vai māju stikla fasādēm, ja garām bieži brauc vilcieni vai pilsētas sabiedriskais transports, tos var piestiprināt arī vilciena riteņiem.

Šo Fraunhofer pētnieku izgudrojumu paredzēts ieviest 2008. gadā.

Pēc Fraunhofer Magazine materiāliem

sagatavoja Gunta KĻAVIŅA