Smart dust hay các hạt điện
Tại vùng băng giá Briksdalbreen (Na Uy), mùa hè năm 2003, đã bốn tuần kỹ sư tin học Kirk Martinez thuộc trường đại học Southampton (Anh) tiến hành các cuộc thực nghiệm đầu tiên về sử dụng những viên sỏi thông minh. Cùng với các đồng nghiệp, anh miệt mài gắn vào lòng các tảng băng, ở độ sâu khoảng 60 mét những đầu thu nhỏ không dây. Chúng sẽ có nhiệm vụ thu thập các thông tin về nhiệt độ, áp suất, tốc độ di chuyển và sự tan băng... nhất là các thông tin về trầm tích lắng tụ dưới các lớp băng.
Berlin, tháng 1 đầu năm nay, chàng kỹ sư này là diễn giả chính, với sự trợ giúp của các đoạn phim minh họa về các tính năng tuyệt vời của mạng lưới các đầu thu không dây hay còn gọi là smart dust (hạt bụi thông minh). Đây cũng là cuộc hội thảo đầu tiên về các hạt bụi thông minh diễn ra ở châu Âu. Ngoài cái tên hay được báo giới ở Anh dùng nói trên, người ta cũng gọi những hạt này là các "nút thông tin" hay mỹ miều hơn nữa dưới cái tên "các hạt điện tử". "Các kết quả thu được từ các hạt bụi thông minh này, mà các thiết bị khác khó có thể tiếp cận được sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn câu trả lời về các khu vực băng giá trước sự nóng lên của trái đất", Kirk cho biết.
Lợi ích của công nghệ này là kết nối con người với thế giới theo một cách thức hoàn toàn khác. Một dạng "internet thực", hệ thống này hình thành nhờ một mạng "vô hình" trong đó mỗi "điểm nối" là một đầu thu siêu nhỏ để thu các tín hiệu về nhiệt độ, hình ảnh và âm thanh và kết nối không dây với các đầu thu khác. Ngoài ra, chúng còn có thể truyền các dữ liệu về một điểm nhận thông tin cố định hoặc di động. "Đó giống như một tập hợp dữ liệu cụ thể, không phải là ảo kiểu như những gì chúng ta đang thực hiện trong tin học", Adam Wolisz, đại học kỹ thuật Berlin, người đồng tổ chức hội thảo nói.
Khởi nguồn ý tưởng
Thú vị thay, ý tưởng của các "hạt bụi thông minh" này là đến từ nước Mỹ cách đây vài năm ở đồng thời hai địa điểm: Darpa (Tổ chức nghiên cứu phòng thủ Mỹ) và Nasa. Darpa muốn tìm ra một phương tiện gián điệp bí mật tại các vùng quân sự mà không cần phải sử dụng tới người. Còn Nasa lại nghĩ tới việc sẽ sử dụng các thiết bị này trên sao Hỏa.
Tháng 3-2001, Kristofer Pister, một kỹ sư thuộc trường đại học Califorlia đã trình diễn tính khả thi của ý tưởng trước Darpa. Trong sa mạc Twentynine Palms ở Califorlia, nhờ sáu "hạt bụi" được rải ra từ máy bay, anh đã phát hiện đường di chuyển của các thiết bị quân sự.
Về phần Nasa, từ năm 2002 cơ quan này đã trang bị hai vườn, một ở Cahforlia, một ở Tân Mexico, mỗi vườn có khoảng 15 đầu thu để kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng của môi trường chung quanh đó. Một ngày nào đó, hệ thống này có thể sẽ thay thế các robot tự hành trên sao Hỏa.
Từ đó, các "hạt bụi thông minh" đã cuốn hút rất nhiều tâm trí con người và người ta đã gắn cho nó nhiều ứng dụng, trong cả lĩnh vực trái đất lẫn dân sự: phát hiện cháy rừng, cảnh báo giới hạn chịu đựng của cầu hoặc cảnh giới các tòa nhà cao tầng, kiểm soát các nhà máy hóa học hoặc các trung tâm hạt nhân hoặc nghiên cứu các vấn đề về khí hậu. Kỳ diệu hơn, người ta nghĩ chúng có thể giúp điều chỉnh nhiệt độ từng phòng của một ngôi nhà tùy theo số lượng người có tại đó. Tất cả những công việc này điều được tiến hành âm thầm, yên lặng.
Nhưng hạn chế
|
|
Trở lại với công việc của Kirk Martinez, từ tháng tám trở lại đây, 12 đầu thu tín hiệu, cứ bốn tiếng một lần vẫn gửi đều đặn các thông tin tới một ăng ten nằm trên mặt đất. Từ đó, thông tin lại được tiếp cận về một quán cà phê nằm cách đó 2,5 cây số. Đường truyền internet cổ điển lại tiếp tục gửi những thông tin này về nước Anh.
Một nhà khoa học khác, Joe Polastre, cũng thuộc trường đại học Califorlia đang làm các nghiên cứu về thiên nhiên. Trong năm 2002 và 2003, cùng với hai đồng sự, anh đã tới hòn đảo không dấu chân người Great Duck, nằm cách bờ biển phía đông của nước Mỹ khoảng một giờ rưỡi đường thủy.
Không hề có nước sạch nhưng hàng nghìn con chim, trong đó có những con chim hải âu di cư tới đây để đẻ trứng. Bài toán khó đối với các nhà khoa học là tổ chim thường nằm trong lòng đất.
Để khám phá bí mật về cách làm tổ đặc biệt này, các nhà khoa học đã phải triển khai một hệ thống khoảng 100 đầu thu cả chìm và nổi trên mặt đất để có được các thông số về nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Các đầu thu ngầm dưới đất chính là các đầu dò hồng ngoại để xem nơi nào có những con chim đang làm tổ đẻ trứng. Chim hải âu nhỏ có đặc tính rất lạ: trong thời kỳ ấp trứng, cả chim mẹ và chim bố thường không ở trong tổ. Chính vì vậy mà các nhà khoa học rất tò mò không hiểu các chú chim con nở ra như thế nào...
"Cho đến nay, chúng tôi còn rành hệ thống thu phát hơn là cách làm tổ của những chú chim này", các nhà khoa học vừa đùa vừa nói. Những gói dữ liệu bị biến mất, các trục trặc máy tính, rồi nghẽn mạch thông tin. Thậm chí cả những lần những chú chim phát hiện ra các đầu thu và "trục xuất" ra khỏi tổ của chúng.
Để cẩn thận, nhóm nghiên cứu đã phải dựng cả những máy camera để kiểm tra xem các đầu đọc hồng ngoại có thực sự hướng về các tổ chim để "nhìn" chúng. Dù gì đi chăng nữa, các nhà sinh học đã có những kết quả ban đầu: "Chúng tôi đã nhận thấy các tổ chim có vai trò đặc biệt bởi chúng giúp điều hòa nhiệt độ tạo nhiệt độ ổn định cho trứng nở. Trong khi nhiệt độ trên mặt đất có thể thay đổi từ 10 - 15 độ thì trong tổ chim, nhiệt độ chỉ dao động khoảng 2-3 độ mà thôi. Chính điều này mà chim bố và chim mẹ có thể lượn ra ngoài trong thời kỳ ấp trứng", John Anderson, nhà sinh vật học thuộc trường đại học Atlantique (Bar Harbor, Mỹ), người đứng đầu nhóm nghiên cứu cho biết.
Hệ thống đầu thu thực sự đã giúp ích khá nhiều cho các nhà sinh học nhưng đáng tiếc cách đây vài tháng, một cơn lốc biển đã cuốn bay đi mất chiếc ăng ten tiếp cận thông tin của hệ thống vào đất liền...
Bên cạnh các lợi ích đang được ngợi ca, thực tế là các hạt bụi thông minh vẫn còn nhiều khiếm khuyết. Độ lớn của các đầu thu vẫn được tính bằng cm chứ không phải là micromet. Các thông tin trao đổi giữa chúng vẫn còn lệch lạc. Khi thì chúng gửi thẳng các gói thông tin về căn cứ, lúc chúng lại gửi dữ liệu cho nhau mặc dù người thiết kế trước đó đã rì rầm định cách gửi như thế nào... Sự "thông minh" vẫn còn hạn chế và người ta phải giải quyết trước mắt hai vấn đề lớn: năng lượng cung cấp và vận hành hệ thống.
Khởi đầu tốt đẹp
Đối với một cuộc hội thảo đầu tiên ở Berlin, những người tổ chức đã bất ngờ vì số lượng người đăng ký đến dự quá đông. "Chúng tôi không dự tính là có nhiều người đến như vậy. Cuối cùng, chúng tôi buộc phải trả lại 2/3 số tiền đóng góp tham dự hội thảo. Bản thân sự có mặt đông đảo của người Mỹ cũng đã là một thành công", Adam Wolisz phấn khởi cho biết.
Nhiều gương mặt lớn trong làng điện tử thế giới như Intel, Siemens, Infineon cũng đã tới đây. Và nhiều công ty chuyên về các "bụi thông minh" cũng đã ra đời. Dust, công ty do Kris Pister thành lập để hiện thực hóa các ý tưởng đã hoàn thành một hợp đồng với quân đội Mỹ. Hoặc những công ty khác cũng ở Mỹ như Ember, Croshow.
"Chúng tôi bắt đầu ở giai đoạn phát triển. Trong 10 năm nữa, chúng tôi tin chắc rằng người ta sẽ bán nhiều các đầu thu tí hon hơn cả các điện thoại di động", Jean Rabaey, một giáo sư của trường đại học Califorlia nói.
Ông chỉ lên chiếc màn hình giới thiệu về sáng chế mới nhất của ông có tên PicoBeacon. Trên một diện tích vài phân vuông có gắn một ăng ten, một chip vi xử lý và một tấm hấp thụ năng lượng mặt trời. Các đồng nghiệp của ông giới thiệu về Telos, thế hệ thứ tư của tấm tích hợp có kích thước rất tí hon: 3cm x 1cm. Nó sẽ được thương mại hóa vào mùa xuân tới. Còn Viện công nghệ liên bang Thụy Sĩ ở Zurich lại giới thiệu con chip Btnode, một loại chip có thể kết nối bằng chuẩn Bluetooth với bất cứ thiết bị nào.
Cuộc chạy đua đã bắt đầu và nhanh đến mức ngay cả Jan Rabaey cũng không biết chính xác giờ có bao nhiêu phòng thí nghiệm ở Berkeley cùng làm việc trên đề tài này: 10, 12 hay 15? Đấy là chưa kể đến các lĩnh vực có thể sử dụng công nghệ mới này: tin học, điện, kiến trúc mạng, cơ học, phần mềm... Chỉ thế cũng biết các hạt bụi thông minh có thể tạo điều kiện cho việc phát triển đa dạng các ngành nghề như thế nào.
Vấn đề cuối cùng là tìm một thị trường. "Rất khó có thể hình dung hết được việc sử dụng các hệ thống này vào những việc gì". Theo Adam Wolisz, nếu Wi-Fi, công nghệ không dây sử dụng trong thông tin internet đã có từ những năm 1990 thì cũng phải đến 10 năm sau nó mới có thể cất cánh trên thị trường. Trên thực tế, khó có thể có một loại "bụi" chuẩn cho toàn thế giới, sử dụng cho bất cứ mục đích gì. Đối với mỗi ứng dụng công cộng, công nghiệp hoặc khoa học thì cần phát triển các loại chip riêng biệt, đặc thù.
---------------------------
Hai trở ngại của công nghệ
Năng lượng: Hoạt động tự chủ và tích cực, các hạt bụi bị hạn chế bởi nguồn cung cấp năng lượng. Tất cả phải quay về bài toán tiết kiệm. Hệ thống khai thác chỉ chiếm khoảng 64 kilo-octets trong khi phải cần vài nghìn để chạy window của máy PC. Công suất phát của ăng ten yếu hơn công suất phát của điện thoại di động khoảng 100 lần. Các chíp vi xử lý phải được phát triển sao cho tiết kiệm năng lượng sử dụng ở mức tối đa. Trong trường hợp hệ thống làm việc ít thì sẽ rất lãng phí vì chương trình lập cho các chíp đều có thể làm việc liên tục (trong một số giờ nhất định hoặc trong trường hợp báo động). Các nhà lập trình phải thi nhau sáng tạo để tối ưu các tiến trình.
Hệ thống. Để hiệu quả, các hệ thống phải được thực hiện dưới hình thức "Plug and Phay" (cắm là chạy) như phần lớn các thiết bị tin học hiện giờ. Trong trường hợp các hạt bụi, hệ thống phải được tự xây dựng để có thể khu biệt và nhận dạng được nhau. Như vậy, thông tin có thể di chuyển từ điểm nút này tới điểm nút khác và đến được trung tâm. Cũng giống như trong Internet, các gói thông tin phải tự xoay xở để tìm con đường tốt nhất cho hành trình của mình.
Vấn đề là giao thức này đã nhanh chóng để lộ những hạn chế, nhất là khi sử dụng nhiều đầu thu và nhất là các đầu thu di động. Thí dụ như phải có các nghiên cứu về khí hậu hoặc dòng chảy của nước nếu để các đầu thu ở dạng lơ lửng trong không trung hoặc nổi trên mặt nước. Như vậy, cần rất nhiều nỗ lực để tìm thấy các nghi thức thông minh và tiết kiệm phù hợp cho các đầu thu này. Cần phải nhớ rằng các hạt thông minh có thể phục vụ như những kẻ thay thế cho Internet hoặc các mạng điện thoại di động.
