Díky neustálému pokroku v oblasti snímání dat a automatizovaných metod analýzy dat se Internet věcí (IoT), průmyslový Internet věcí (IIoT) i Průmysl 4.0 rychle rozvíjí. Nedávné pokroky v oblasti softwaru, algoritmů a strojového učení umožnily automatizaci mnoha senzorových sítí, které jsou schopny fungovat naprosto samostatně a v případě problému, na který nestačí, si vyžádají asistenci operátora.
Tyto nové senzorové sítě a metody manipulace s daty se používají v různých aplikacích od inteligentních budov až po průmyslové výrobní procesy, přičemž každé prostředí lze snadno optimalizovat na základě aktuálních trendů nedávno získaných dat oproti historickým údajům. V mnoha případech mohou sami automaticky měnit interní podmínky a operátorovi posílat hlášení pouze pokud se objeví nějaký problém nebo pokud aktuální data naznačují, že by mohlo dojít k prostojům. To umožnilo výrazně zefektivnit různé procesy v řadě průmyslových odvětví.
Nanotechnologie určitě není první myšlenkou, která vás napadně ve spojení s IoT, nicméně již existují způsoby, jak mohou nanotechnologie pomoci při optimalizaci dat; a v budoucnu budou existovat oblasti, kde budou komerčně využívány. Tyto oblasti budou zahrnovat vše od prvotního měření až po vystavění spojení pro výměnu informací pomocí nanomateriálů.
Senzory
Základním stavebním kamenem IoT i Průmyslu 4.0 jsou senzory, což oblast, kde budou nanotechnologie využívány nejvíce. Vzhledem k neutálému pokroku v oblasti softwaru a analýzy dat, lze pracovat s mnohem větším množstvím dat; a čím přesnější jsou prvotní data, tím přesnější je i celý systém IoT.
Využití nanomateriálů v různých typech senzorů dovoluje, dovoluje vyrobit mnohem efektivnější snímače. K hlavním výhodám 2D materiálů jako grafen patří oproti konvečním materiálům především velká specifická plocha povrchu (dovolující detekovat změny prostředí), malý rozměr a specifické strukturní, fyzikální a chemické vlastnosti.
Samozřejmě, ne každý mechanismus snímání je stejný – některé jsou založeny na změně vzdálenosti, jiné jsou na absorpci molekul či na reakci na fyzickou změnu. Nanomateriály mají různé vlastnosti, které umožňují, aby tyto mechanismy fungovaly efektivně, ať již se jedná o měření změn optického signálu na určitou vzdálenost, adsorpce atomů na povrchu, nebo schopnosti ohýbat, natáhnout nebo stlačit. Některé nanomateriály jsou schopné poskytnout jeden, jiné více z těchto mechanismů. Vyšší citlivost a tudíž přesnější údaje umožňuje vysoká elektrická vodivost a mobilita nosičů náboje nanomateriálů. Pokud tedy dojde k nějaké „události“, mechanismus snímání vyvolává změnu elektrické vodivosti nanomateriálu, která je pak detekována jako měřitelná odezva. Vzhledem k vysoké vodivosti a mobilitě nosičů náboje v nanomateriálu tak lze detekovat i velmi nepatrné změny.
Internet nano-věcí (IoNT)
Druhou oblastí, kde lze kombinovat nanotechnologii s IoT, je vytvoření fyzické sítě složené z nano-materiálů, která usnadňuje výměnu dat prostřednictvím různých komponentů komunikujících mezi sebou na úrovni nano. Toto je popisováno jako Internet nano-věcí (Internet od Nano-Things, IoNT). Pokud jde o vývoj, není dosud na úrovni ostatních systémů Internetu věcí, ale velký zájem je z oblasti komunikace a zdravotnictví, např. terénní aplikace, kde je potřeba dálkové snímání nebo měření různých bodů v lidském těle.
Jak to funguje
Každý systém se skládá z více komponentů a ani IoNT není vyjímkou. Existují dva obecné způsoby, jak tyto komponenty vzájemně komunikují, a to prostřednictvím elektromagnetické nano-komunikace (vysílaní a příjem elektromagnetických vln) a molekulární komunikace (informace zakódované v molekulách). Celá IoNT se skládá ze čtyř hlavních komponentů: nano-uzly, nano-routery, zařízení s nano-mikro rozhraním (nano-micro interface device) a mikro-gatewaye.
Nejmenším a nejjednoduším komponentem v rámci IoNT jsou nano-uzly. Tyto nano-komponenty se používají k odesílání dat a provádění základních výpočtů. Jejich malá velikost (a spotřeba energie) však omezuje vzdálenost, na kterou mohou být data přenášena a mají velmi malou vnitřní paměť. Nicméně mohou být umístěny na určitém místě a přenášet data do většího nano-router, který pak přenáší data na delší vzdálenosti.
Nano-uzly odesílají data na nano-router, což je nano-komponent s mnohem větším výpočetním výkonem. Díky tomu pak může fungovat jako agregátor pro všechny okolní nano-uzly, které získávají prvotní data. To jim následně dovoluje řídit přenos informací mezi nano-uzly a odesílat informace do zařízení s nano-mikro rozhraním. Ta shromažďují všechna data z nano-routerů a odesílají je pomocí kombinace nano-komunikačních technik a klasických síťových protokolů do mikro-gatewaye. Mikro-gateway pak funguje jako řídicí jednotka celého systému a umožňuje přístup k datům odkudkoliv v rámci Internetu.
Závěr
Zavádění aplikací v rámci Průmyslu 4.0 bude pokračovat i následujícíjích letech. V mnoha průmyslových odvětvích se nyní používá konvenční přenos dat, cloud computing a manipulace s daty, nicméně některé budou vyžadovat, aby cloud computing a přenos byly realizovány prostřednictvím mnohem menších architektur. Pokud nastane okamžitá komeční potřeba, dosavadní práce z oblasti IoNT poskytují dobrý základ pro rychlou realizaci aplikací IoNT do všech průmyslových odvětvích.
jh
Zdroj: Critchley, L.: Where Nanotechnology, the IoT, and Industry 4.0 Meet. Mauser Electronics 2019, online.
