Перспективы развития интеллектуальных сенсоров. Заключительные замечания

Цель лекции: дать слушателям представление об основных направлениях дальнейшего развития техники интеллектуальных сенсоров. Проиллюстрировать каждое из этих направлений развития наглядными и понятными примерами разработок, ведущихся уже сейчас. В частности, рассказать о новейших системах "интеллектуальное здание", "умный дом", "интеллектуальный транспорт" и "интеллектуальные транспортные сети", о перспективах создания искусственных органов чувств, "внутреннего зрения", миниатюрных медицинских роботов. Привести полезные для слушателей заключительные замечания по прочитанному курсу лекций.

28.1. Перспективы развития интеллектуальных сенсоров

Техника интеллектуальных сенсоров ("сенсорика") развивается как в направлениях совершенствования существующих, создания новых видов, типов и новых классов интеллектуальных сенсоров, так и в направлениях создания сенсорных систем и сенсорных сетей. Рассмотрим вкратце каждое из этих направлений.

28.1.1. Перспективы создания новых видов интеллектуальных сенсоров

В настоящее время уже просматриваются перспективы создания на основе интеллектуальных сенсоров новых искусственных органов чувств человека [ [ 183 ] ]. Они не только смогут заменить некоторые естественные органы чувств, которые по каким-то причинам у человека не функционируют, но и предоставят людям возможность непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено. Сигнальный выход таких интеллектуальных сенсоров будет или непосредственно связан с нервными окончаниями или, например, с тактильными сенсорами человека. Благодаря "вживлению", скажем, миниатюрного интеллектуального сенсора радиации, человек получит возможность непосредственно ощущать ионизирующую радиацию, начиная даже от незначительных доз. Одетый на пальцы искусственный "орган ощущения радиации" поможет легко найти источник радиации. После "вживления" миниатюрного газового сенсора обладатель этого дополнительного "органа обоняния" будет ощущать присутствие химических соединений, которые для обычного человека не имеют запаха. Например, на ряде опасных химических производств персоналу чрезвычайно важно иметь сенсоры, непосредственно сигнализирующие ему об опасных химических агентах: угарном газе, фосфорорганических пестицидах, ядах. Человек, которому это требуется по роду профессии, сможет слышать инфразвуки или ультразвуки определенных диапазонов, например, ультразвуки, издаваемые дельфинами, и т.д.

Благодаря развитию сенсорики люди смогут в необходимых случаях обрести " внутреннее зрение ". Дело в том, что на уровне сознания мы почти не ощущаем свои внутренние биохимические процессы. Имеющаяся у нас сигнальная система информирует нас о возникших нарушениях метаболизма только посредством болевых ощущений. Ощущения эти возникают, к сожалению, только после значительных и уже необратимых изменений. Вживленные в организм сенсоры смогут успешно определять содержание важных биохимических соединений (глюкозы, мочевины, холестерина и т.д.) и позволят нуждающемуся в этом человеку проводить мониторинг своего внутреннего метаболического состояния на уровне сознательного индивидуального постоянного контроля. Гипертоники, не ощущающие повышение своего давления, смогут явственно воспринимать его изменения. Людям, страдающим неизлечимым алкоголизмом, могут быть "вживлены" сенсоры, дающие болевые ощущения или тошноту от одного запаха спиртного, не говоря уже о его проникновении в организм.

Применение новейших микросистемных и нанотехнологий [ [ 295 ] , [ 296 ] , [ 302 ] , [ 314 ] ] может со временем сделать возможным создание интеллектуальных медицинских "микророботов". Имея микронные размеры, они после введения в организм человека смогут двигаться там по слизистым оболочкам, кровеносным или лимфатическим сосудам, выполняя филигранные медицинские функции. Это станет началом будущей "наномедицины" [ [ 39 ] , [ 40 ] , [ 264 ] ] – новых методов исследования, лечения и контроля биологических систем человека на микроуровне. Прогнозируется, например, создание:

• искусственных фагоцитов, которые смогут быстро обнаруживать в крови человека болезнетворные частицы или токсины и будут обезвреживать их;
• "респироцитов", которые, подобно естественным эритроцитам, в легких будут аккумулировать значительные запасы кислорода и адресно доставлять его с потоком крови к органам и клеткам, особенно в этом нуждающимся;
• глюкороботов, которые будут контролировать уровень глюкозы в крови и, в случае необходимости, выделять нужные дозы имеющегося у них в запасе инсулина;
• транспортных микророботов, которые будут доставлять требуемые дозы лекарства в заданное врачом время к определенным больным участкам и клеткам тела, и т.д.

Постепенная реализация этой программы уже началась. Например, американское ведомство по контролю за продуктами питания и лекарствами уже выдало разрешение на применение в медицинской практике миниатюрной видеокамеры, заключённой в пилюле длиной 25 мм ( рис. 28.1).

Рис. 28.1. Исследовательская пилюля со встроенной видеокамерой

Пациент глотает пилюлю, после чего она начинает своё естественное продвижение по пищеварительному тракту. А камера ведет цветную съёмку крупным планом состояния слизистой оболочки. Пациент занимается своими обычными делами, а изображения слизистой оболочки его желудка и кишечника через миниатюрный радиопередатчик дважды в секунду поступают на маленький приёмник на поясе или в сумке. Клинические испытания показали, что для диагностики воспалений, язв, эрозий, полипов и прочих аномалий слизистой желудка и кишечника, пилюля вдвое эффективнее, чем традиционная эндоскопия. Кроме того, обычный эндоскоп не имеет возможности обследовать тонкий кишечник, имеющий в длину около 7 м. А пилюля позволяет! По завершении обследования, которое длится от 8 до 72 часов, приёмник сдаётся врачу, и тот переписывает из него накопленную информацию в свой компьютер. Видеокамера извлекается из вышедшей со стулом пилюли, помещается в новую оболочку и снова готова к применению.

Дальнейшим развитием стала контролируемая по радио капсула, которая имеет шесть ножек с крошечными крючочками на окончании. Они предотвращают скольжение по слизистой оболочке во время движения, но они слишком маленькие, чтобы повредить мягкие ткани. Этих "зацепов" вполне достаточно, чтобы все устройство не проталкивалось дальше под действием мускульных пульсаций. Благодаря этому, врач может остановить капсулу для более детального изучения интересующего его участка.

Европейскими учеными уже разработан действующий макет пилюли-робота, который помогает, путешествуя по желудочно-кишечному тракту, выискивать места, подозрительные на рак ( рис. 28.2). Продвигаясь по желудочно-кишечному тракту, "пилюля" передает цветное изображение внутренних слизистых оболочек на монитор врача. Замечая место, подозрительное на рак, врач посылает радиосигнал "пилюле", которая останавливается и производит анализ отраженного от этого места света.

Рис. 28.2. Схема действий пилюли-робота для диагностики рака кишечника

Известно, что в местах роста раковых клеток формируется более густая сеть кровеносных сосудов и в силу этого увеличиваются локальное кровенаполнение и локальная концентрация гемоглобина в ткани. Такие изменения и можно увидеть в отраженном свете соответствующей длины волны.

Уэл Бэдоуи (Wael Badawy) из университета Калгари (University of Calgary) уже изготовил " интеллектуальную пилюлю " (Intelligent Pill, сокращённо — iPill), в составе которой имеются датчики, контролирующие температуру и кислотно-щелочной баланс среды, в которой они находятся, микроконтроллер, микронасос, а также лекарство в объёме 1 мл. Пилюля программируется так, чтобы выпускать лекарства через заданные интервалы времени или при заданных обстоятельствах. Для этого микроконтроллер активирует микронасос, выталкивающий требуемую дозу лекарства. Запасенной энергии пилюле пока хватает примерно на четыре часа.

У микрохирургов, выполняющих операции на головном мозге, в глазах, в ушной раковине, на микрососудах или на нервных узлах, – везде, где важна исключительная точность и безопасность, – уже вскоре появятся т.н. " цифровые скальпели " (data knives). На их лезвии будут находиться миниатюрные сенсоры давления и микросенсоры, сигнализирующие хирургу о том, что вблизи лезвия находится кровеносный сосуд или ответственный нервный узел.

28.1.2. Интеллектуальные здания

Развитие в направлении создания сенсорных систем тоже происходит уже сегодня. Известным примером этого стали т.н. " интеллектуальные здания " (англ. intelligent building, рис. 28.3) [ [ 172 ] , [ 244 ] , [ 259 ] , [ 321 ] ].

Рис. 28.3. Интеллектуальное здание. Показана лишь часть его основных систем

Имеется много разных определений, что такое " интеллектуальное здание ". С точки зрения сенсорики – это здание, снабженное продуманной, достаточно полной системой сенсоров, позволяющей всесторонне контролировать функциональное состояние здания и на этой основе разумно управлять функционированием всех его важнейших систем жизнеобеспечения. В первую очередь, речь идет о сенсорах, контролирующих системы электроснабжения, газо- и водоснабжения, отопления, пожарной безопасности, освещения, микроклимата, санкционированного доступа в здание и в его отдельные части и т.п. Интеллектуальные сенсоры могут при этом осуществлять учет расходов ресурсов каждым отдельным помещением и разумное управление локальными подсистемами. Они могут, например, автоматически отключить подачу электроэнергии в контролируемое помещение в случае короткого замыкания или превышения порога потребляемой мощности; немедленно перекрыть газовую магистраль, если в помещении обнаружилась утечка газа; перекрыть вентиль подачи воды в случае обнаружения протечки воды; включить подачу тепла, если температура в помещении упала ниже предписанного нижнего порога, или уменьшить подачу тепла, если температура превысила верхний порог; автоматически выключить освещение, если появился достаточно яркий дневной свет либо никого не осталось в помещении, или включить свет, как только там появился человек и освещенность недостаточна, и т.д. Разумное согласованное управление всей системой и интегральное управление функционированием всего здания осуществляет центральный компьютер.

Опыт показывает, что потребление энергоресурсов и затраты на них благодаря этому сокращаются на 20-30%. Грамотно спроектированное "интеллектуальное" здание в случаях аварийного отключения внешней энергосети или подачи воды по сигналам от соответствующих сенсоров автоматически задействует резервный электрогенератор, запасную схему водоснабжения, аварийное освещение и т.д. и предупредит пользователей здания об аварийной ситуации. Это практически сводит на нет возможность выхода из строя высокотехнологического оборудования, что также ведет к экономии средств. Такое оборудование может работать бесперебойно в течение многих лет. В "интеллектуальном" здании снижено влияние человеческого фактора. Это помогает избежать ошибок при эксплуатации, аварий, а также снизить затраты на содержание персонала.

Интеллектуальные здания уже широко используются крупными корпорациями, государственными и межгосударственными учреждениями, бизнес-центрами, высококлассными гостиницами и т.д.

Системы интеллектуальных сенсоров "приходят" и в наши жилища. Их назначение – не только оптимизировать энерго- и ресурсопотребление, обезопасить нашу жизнь, но и облегчить её, создать нам всё больше удобств и комфорта. Встроенные в кровать сенсоры проследят за положением нашего позвоночника, головы, ног во время сна, обеспечат возможность автоматической коррекции деформаций матраца, подушки, одеяла с целью обеспечения отропедически правильного положения. Сенсоры, встроенные в детскую кроватку, будут чутко и неусыпно "прислушиваться" к дыханию ребенка, улавливать его беспокойство и малейшие изменения температуры его тела, подавать родителям сигнал о необходимости его обслуживания. Сенсоры, встроенные в "интеллектуальное" кресло, помогут поддерживать его удобство при любых положениях нашего тела. Интеллектуальные сенсоры, контролирующие состав атмосферы в Вашем жилище, позаботятся о своевременном его проветривании, оповестят Вас о появлении в воздухе опасных веществ. Видеодомофон ( рис. 28.4рис. 28.4) позволит не только услышать, но и увидеть того, кто стоит на входе в Ваше жилище. Интеллектуальные сенсоры, установленные на улице, дадут Вам возможность видеть то, что делается в окрестностях Вашего дома, выдадут информацию для автоматической ориентации солнечных батарей точно в направлении солнца или ветроэлектрогенератора – в направлении ветра. Другие интеллектуальные сенсоры позволят, в зависимости от погоды и от Ваших указаний, автоматически управлять ставнями, жалюзи, поливом зеленых насаждений вокруг дома. Интеллектуальные сенсоры в аквариуме с Вашими любимыми рыбками даже в Ваше отсутствие обеспечат возможность автоматической подачи им в установленное время указанного количества корма, кислорода, включения/выключения освещения, пополнения чистой водой.

Рис. 28.4. Видеодомофон. Слева – камера на входе в жилище, справа – терминал с экраном в доме