اعداد / ميساء محمد

الغبار الذكي هو شبكة افتراضية لاسلكية مكوّنة من حسّاسات إلكترونية ميكانيكية مصغّرة (نظم الكترونية ميكانيكية MEMS)، روبوتات، أو أجهزة يمكن استخدامها في قياس الضوء، الحرارة أو الاهتزاز على سبيل المثال.

التصميم والبناء

قُدم مبدأ الغبار الذكي من قبل كريستوفر س. ج. بيستر (جامعة كاليفورنيا) عام 2001. عبر نفس الأفكار التي كانت موجودة قبلاً في الخيال العلمي (الذي لا يقهر، 1964). وقد ناقش تقرير حديث  الطرق المختلفة لاستخدام الغبار الذكي في شبكات الحساسات اللاسلكية والانتقال من مستوى الميليمتر إلى مستوى الميكرومتر.

وقد قام مركز الأبحاث المتخصص بالأنظمة فائقة السرعة من الإلكترونيات النانوية في جامعة غلاسكو والذي يعد أحد الأعضاء المؤسسين لمجموعة كبيرة من الشركات الدولية بتطوير مفهوم مشابه سمي البقع الذكية، كما تعود بعض مزايا مبدأ الغبار الذكي إلى مشروع قامت به شركة بارك PARC يدعى المواد الذكية.

وستبنى أجهزة الغبار الذكي على أساس من الجهد الفرعي والالكترونيات النانوية ذات الجهد الفرعي العميق وسوف تتضمن مصادر طاقة ميكروية دقيقة ذات مكثفات (مكثفات نانوية) تعمل بنبضات الحالة الصلبة، وكذلك يتم العمل على تطوير واستخدام الراديو النانوي في تطبيق الغبار الذكي كتقنية قابلة للاستخدام.

التطبيقات

أحد التطبيقات النموذجية تكون في بعثرة المئات من هذه الحساسات حول الأبينة أو المستشفيات لمراقبة الحرارة أوالرطوبة، تعقب تحركات المرضى، الإعلام بالكوارث كالزلازل. ويمكن استخدامها في الجيش كرقاقات استشعار عن بعد لتعقب تحركات العدو، وكشف الغازات السامة أو المواد المشعة. أثارت سهولة والتكلفة المنخفضة لمثل هذه التطبيقات اموراً تتعلق بالخصوصية. فإمكانية تصميم 'سرب' يمكن أن يعمل وفق تكرار ذاتي ويتطور لحل مشكلة معينة من الممكن أن نفقد القدرة على التحكم به مما يثير أيضاً أموراً تتعلق بالسلامة في قصص الخيال العلمي، مثل رواية بري للكاتب مايكل كريشتون.

طرق جديدة لإمداد الطاقة

يتم مؤخراً فحص العديد من تقنيات تزويد الطاقة لتستخدم في الحوسبة المنتشرة ولتوليد أجسام صغيرة يمكن أن تتواصل مع بعضها البعض، ومزودات الطاقة هذه تولّد من عالم الكائنات الحيّة، محركات الاحتراق المصغّرة، البطاريات النووية وغيرها من الأجهزة التي تختلف عن البطاريات التقليدية. يقوم العلماء حالياً بتجارب لإيجاد حلول قادرة على تزويد أجسام مايكروية -ومستقبلاً نانوية - بالطاقة المستمدة من الكائنات الحية. كالطاقة المستمدة من السبانخ، السكر، الدود أو الذباب. مصادر الطاقة الحديثة هذه تستخدم جزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP التي تخزن الفوسفات ذو الطاقة العالية لتخزين الطاقة كما العضلات في الكائنات الحية..

هناك أيضاً طرق أخرى يتم اكتشافها منها البطاريات الميكروية (المصغرة) نووية الطاقة للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية الميكانيكية MEMS، وتعمل الأبحاث الحالية على دمج النظائر المشعة في هذه الأجهزة وإنتاج الكهرباء باستخدام الظواهر الحرارية.

دخلت نماذج أولية من نوع من الغبار يسمى «الغبار الذكي» Smart dust الى الأسواق بالفعل، وهو نوع مختلف عن الغبار الاعتيادي، فهو عبارة عن مجسات أو مستشعرات حساسة sensors متناهية في الصغر في حجم دقائق الغبار، تستخدم لمراقبة عناصر مثل درجة الحرارة، والاشعاع، والغاز، والكيميائيات، والرطوبة، والضغط، ولا تتعدى مساحة اللاقط منها ملليمتراً واحداً. وكل حبة غبار تعمل عمل كمبيوتر كامل وحقيقي يتمتع بالقدرة على الحساب ويستخدم الذاكرة ويسهل عمل الاتصالات. وسيكون لها تطبيقات علمية وتجارية هائلة في المستقبل القريب، مولدة صناعة سوف تتجاوز مليارات الدولارات.

أجرت الولايات المتحدة تجربة في صحراء كاليفورنيا حين قامت إحدى الطائرات بنشر حوالى ثلاثين لاقطاً، تساوي مساحة كل منها مساحة قطعة نقود صغيرة أي أكبر بكثير من مساحة الملليمتر الواحد، الحد الذي يحلم العلماء بتحقيقه. واستطاعت هذه اللواقط الاتصال في ما بينها وإرسال المعلومات إلى جهاز الكومبيوتر الموجود على الطائرة التي نثرتها. ونجحت التجربة وتجري الآن ورشات مخبرية لتصغير اللواقط. ومن الممكن الاستفادة من ذلك في الأغراض العسكرية والمدنية

المكونات الرئيسية للغبار الذكي:

•      صمام ثنائي ليزري من أنصاف الموصلات وحزمة حساسات الكتروميكانيكية تقود مرآة للبث البصري الحي.

•      مكعب زاوية عاكس خلفي للبث البصري السلبي.

•      حساس صور ومستقبل

•      مستقبل بصري.

•      معالج إشارة ودارة تحكم .

•      مصدر طاقة يعتمد على رقائق بطاريات وخلايا شمسية .

تركيب الغبار الذكي:

يتميز القرن الحادي والعشرين بتقديم مزايا تناسب المستخدم بحجوم صغيرة وخدمات كبيرة  قدر المستطاع . ويتم اتباع نفس النهج في عالم تكنولوجيا الإلكترونيات وزيادة كفاءة المزايا الإلكترونية المقدمة بحجوم أصغر ومتناهية الصغر. و أفضل مثال على ذلك هو الاتجاه التكنولوجي المتنامي في عالم الذرات الإلكترونية فهي صغيرة جدا في الحجم وخفيفة في الوزن وتبقى عالقة في الجو  تماما مثل أي ذرة غبار عادية . وتستطيع التيارات الهوائية تحريكها في اتجاه الريح . وأهم المزايا الرئيسية لهذه الذرات الإلكترونية متناهية الصغر :

•      تدعم جمع المعلومات وربط البيانات  من حساسات مختلفة متناهية الصغر .

•      تحلل بيانات الحساسات كما هو محدد في نظام التحكم بالمستوى .وترسل لا سلكيا نتائج التحليل إلى ذرات أخرى أو محطات الاستقبال الأرضية أو عبر شبكات الانترنت كما هو محدد لها أن تعمل وفق نظام الأتمتة والتحكم .

•      يشار إلى هذه الذرات على أنها غبارا ذكيا. تتألف الذرة الواحدة من حاسوب مجهري رخيص ودقيق وصغير يتم تغذيته بالطاقة الكهربائية المنخفضة ويتصل بحساسات متعددة ومحطة ارسال بالراديو قادرة على تشكيل شبكات متماثلة ومتجانسة . يراقب الحاسوب المجهري الحساسات المختلفة الموجودة في الذرة . وتستطيع هذه الحساسات قياس الضوء و السرعة و المكان و الإجهاد والضغط والرطوبة والصوت والاهتزاز وتحدد الموقع والاحداثيات . يتم تجميع المعلومات ثم تمرر على حلقة ربط  راديوية للإرسال من ذرة إلى ذرة  حتى تصل البيانات  إلى نقطة الإرسال.  

مبدأ عمل الغبار الذكي:

تدار ذرات الغبار الذكي بواسطة أنظمة تحكم مجهرية . تتألف هذه الأنظمة المجهرية  من حساسات متناهية الصغر  لتسجيل جميع أنواع البيانات . وتستخدم المؤقتات الزمنية لتشغيل هذه الحساسات المتناهية الصغر . تقوم الحساسات بجمع البيانات ثم يتم تخزينها في ذاكرة لقراءتها وتحليلها في وقت لاحق. ويمكن ارسالها إلى محطة التحكم الرئيسية .

إن وحدة التسجيل المستمرة التي تتضمن ثلاث مرايا شاقولية مصنوعة من الذهب المغلف بالسيلكون الأحادي يتمتع بخاصية أنه في حال سقط شعاع من الضوء عليه ينعكس عائدا إلى مصدره شرط أن يكون الشعاع الساقط ضمن سلسلة من الزوايا المركزة حول جسم المكعب وبشكل قطري. تحتوي وحدة التسجيل المستمرة والمصنعة من مكونات مجهرية دقيقة جدا مشغلا الكتروستاتيكي يمكنه أن يحرك إحدى المرايا وفق معدل الكيلوهرتز . وبالتالي فإن مصدر الضوء الخارجي يمكن أن يعاد ارساله على شكل إشارة مشكلة بالكيلوبت كل ثانية . يمكنه أن يرسل إلى الانبوب الموصل فقط عندما يحدث أن يتطابق جسم المكعب لوحدة التسجيل المستمرة وبشكل قطري في نقطة تتلاقى مباشرة مع البتات خلال عشرات قليلة من الدرجات .

ورغم أن المرسل السلبي يمكن أن يكون أكثر من أحادي الاتجاه عن طريق استخدام عدد من وحدات التسجيل المستمرة الموجهة في اتجاهات متعددة  على حساب زيادة حجم الغبار الذري الذكي. 

مزايا الغبار الذكي:

هناك العديد من المزايا للغبار الذكي يمكن أن نذكر منها :

في مجال الصناعة :

•      تحسين الأمن الصناعي والفاعلية والكفاءة والعمل الجيد.

•      تخفيض تكاليف النظام الصناعي والبنية التحتية .

•      زيادة الانتاجية

للمزارعين  والأغراض الزراعية

•      اكتشاف ما يحتاجه المحصول وادارة برامج التخصيب والتسميد الأكثر فاعلية .

•      يمنع المزارعين إدارة أفضل للوقت

•      تخفيض المدخلات وزيادة المخرجات الناجمة عن زيادة الانتاجية .

بالنسبة للمصانع والمعامل

•      أتمته الكثير من الأعمال اليدوية والتي تتطلب المعايرة والمراقبة المستمرة .

•      تقديم البيانات الدقيقة عن أوضاع المحركات وسلامتها المساعدة في تنفيذ الصيانة في وقتها عند الحاجة .

•      اكتشاف التآكل في الأنابيب المعمرة قبل حدوث التسربات.

بالنسبة لبيئة العمل:

•      يزيل الغبار الذكي طرق الاتصال السلكية بشكل كامل ويحل محلها شريحة صغيرة خاصة بالغبار الذكي تقوم مقام الأقراص الصلبة والبرمجيات في الشبكات الموزعة والمنتشرة في كل مكان . وتستخدم طاقة أقل بخمس مرات من الطاقة التي تستخدمها الشبكات التقليدية .

•      يمكن أن تجهز نقاط الغبار الذكي بمستقبلات أجهزة تحديد المواقع الجغرافية GPS . ويمكن أن تستخدم في تعقب حركة الزوار للشركات الذين يجوبون المكاتب والتأكد من أنهم لا يدخلون المناطق المحظورة .

•     

في الأغراض العسكرية :

•      التطبيق العسكري من الغبار الذكي يمكن أن يستخدم في مراقبة  النشاطات المختلفة في المناطق التي لا يمكن الوصول إليها ويمكن أن ترافق الجنود وتحذرهم من السموم والغازات البيولوجية والكيماوية الخطيرة والتي قد تكون منتشرة في الجو .

•      يمكن أن يستخدم الغبار الذكي في الأمن والتعقب والمتابعة .

•      في الجيش يمكن استخدام الغبار الذكي  كشريحة متابعة وتعقب عن بعد لتحركات القوات المعادية والأشخاص المعادين ويمكنها اكتشاف وجود الغازات السامة في الأجواء أو حالات وجود النشاط الإشعاعي في منطقة ما. 

وهناك العديد من التطبيقات للغبار الذكي غير تلك المذكورة أعلاه .

رزايا الغبار الذكي :

هناك العديد من المزايا للغبار الذكي ولكن للغبار الذكي رزايا كثيرة وجوانب سلبية لا يمكن تجاهلها. لكن رزاياه تبدو هامشية إذا ما قورنت بالمزايا. ورغم كل شيء يجب أن توضع هذه الرزايا في الاعتبار عند مناقشة قضية الغبار الذكي التي تثيرا جدلا كبيرا. ومن بين هذه الرزايا يمكن أن نذكر التالية :

الخصوصية :

قد تكون الخصوصية إحدى الرزايا الأساسية والخطيرة للغبار الذكي والتي تخص المؤسسات التي تستخدمه. وحيث أن الغبار الذكي يكتشف كل التغيرات التي تحيط بك وتحدث حولك فإنه يترك حيزا ضيقا للخيال لكي يعمل. الغبار الذكي حساسات مجهرية دقيقة . فهو يسجل كل ما ترغب في تسجيله. ونظرا لأن هذه التكنولوجيا الجديدة صغيرة الحجم ودقيقة ويصعب اكتشافها فإن معظم الناس يشعرون بالخوف منها بسبب خشيتهم من تجسس الشركات عليهم وعلى خصوصياتهم .

وقد تكون هذه الرزية إحدى العيوب الأساسية للشركات التي تستخدم الغبار الذكي. وعلى هذه الشركات أن تعلم الأشخاص الذين يستخدمونها أو الذين يشكلون جزءا من هذه الدراسة أو التجارب. الغبار الذكي يثير قضايا أخلاقية متعددة . على سبيل المثال، من هم الموظفون المسموح لهم أن يحللوا البيانات والمعطيات التي تقدمها الحساسات وأجهزة المراقبة وما هي المعلومات التي يحق لهم الوصول إليها. ستثير قضية الخصوصية نقاشا مستقبليا حادا وحرجا خلال السنوات القادمة خاصة وأن الغبار الذكي سيكون متاحا أكثر للمزيد من الناس والمؤسسات وسيكون في دائرة الضوء أكثر فأكثر .

الكلفة :

رغم أن الغبار الذكي يستهوي الكثير من الناس في العديد من المجالات  إلا أنه يبقى مكلفا عند تنفيذه كنظام معتمد في الكثير من الشركات والمؤسسات . و رغم انخفاض أسعار الشرائح الالكترونية  في السنوات الأخيرة إلا أن الربط الشبكي مع الأقمار الصناعية لا يزال مكلفا جدا إضافة إلى تكلفة العديد من العناصر الأخرى التي تدخل في تركيب النظام والتي بدورها ترتب تكلفة مادية باهظة الثمن على الشركات والمؤسسات .

فكرة الغبار الذكي دخلت حيز التطبيق لأغراض تقنية وعسكرية خاصة , وهذا يثير مسائل لها علاقة بالخصوصية والبعد الأخلاقي , وهذا يستدعي أيضا ضرورة نشر المعرفة التقنية الخاصة بالغبار الذكي ليعلم الإنسان ما يدور حوله من علم ومعرفة وتكنولوجيا .  نرجو مشاركة المعلومة لأنها تمس الناس كل الناس .

المصادر:

ويكيبيديا – الموسوعة الحرة

منتدى الجمعية الفلكية السورية

مقال بعنوان

Mohit Arora,  What is Smart Dust? - Advantages & Disadvantages of Dust Technology catchupdates.com/smart-dust/USA,2018.