Крошечные компьютеры изменят нашу жизнь. Но построить их крайне трудно
Возможно, вы смотрели «Внутреннее пространство», комедийный научно-фантастический фильм 80-х о микроскопической пилотируемой капсуле, введенной в человека? Несмотря на то, что мы еще далеки от создания подводных лодок, плавающих в теле человека, технические достижения позволяют нам создать компьютеры настолько крошечные, что их внедрение в живые ткани больше не кажется плодом воображения фантастов.
В самом деле, прошло уже 20 лет с тех пор, как английский ученый Кевин Уорик впервые имплантировал себе кремниевый RFID-передатчик в руку, чтобы удаленно управлять компьютерами в дверях, освещении и других устройствах. Затем он сделал еще один шаг, связав устройство с собственной нервной системой для управления роботизированной рукой, и получил прозвище «Капитан Киборг».
Хотя истории подобного рода не то чтобы появлялись каждый день, темпы развития микрокомпьютерных технологий вовсе не замедлились. Изобретательности некоторых новых разработок можно только удивляться.
Самые маленькие компьютеры
К примеру, в начале этого года команда Мичиганского университета во главе с профессором электротехники и вычислительной техники Дэвидом Блаау использовала энергосберегающий процессор, созданный компанией Arm, для создания самого маленького компьютера в мире.
Устройство с гранью всего 0,3 миллиметра в десять раз меньше предыдущего рекордсмена, компьютерного на солнечной энергии размером с крупинку соли. Поскольку в новое устройство можно встроить датчики температуры и давления, команда Блаау предполагает, что, помимо прочего, компьютер можно имплантировать в опухоли, чтобы определить, сокращаются они после химиотерапии или нет. (Исследования показывают, что опухоли могут иметь более высокую температуру, чем здоровые ткани).
Хотя разработка крошечных компьютеров впечатляет, существуют препятствия, мешающие их широкому распространению в секторах здравоохранения и других. Одной из самых больших проблем является сборка батарей, достаточно маленьких для питания устройств. При уменьшении размера батарей резко сокращается и количество энергии, которое они накапливают. Батареи, необходимые для крошечных компьютеров, значительно меньше обычных маленьких батарей, которые используются для питания других устройств, вроде кардиостимуляторов и кохлеарных имплантатов, и, по словам Блаау, их емкость может быть в тысячу раз меньше.
Одним из возможных решений является поиск способов частой перезарядки устройств. К примеру, лучи инфракрасного света могут дистанционно заряжать датчики, имплантированные лабораторным мышам. Ученые также исследуют, как создавать электричество для крошечных компьютеров, используя технику, известную как термоэлектрический сбор энергии, но пока не достигли успеха в таких малых масштабах. Чтобы этот последний метод работал, должна быть разница температур между двумя поверхностями устройства, но новые крошечные компьютеры настолько малы, что трудно сделать какую-либо одну часть намного теплее, чем другая. Другие методы, которые все еще исследуются, включают использование молекул глюкозы в качестве источника энергии.
Эффективным решением было бы просто сэкономить небольшое количество энергии, которое можно сохранить в крошечной батарейке. Блаау и его команда выяснили, что могут радикально снизить потребление энергии, если будут лишь изредка будить компьютеры для выполнения расчетов, а затем снова переводить их в спящий режим.
В дополнение к максимизации времени, в течение которого крошечные компьютеры спят, инженеры могут снизить энергопотребление, сократив количество электроэнергии, потребляемой компьютерами во время бодрствования. Блаау и его команда смогли сократить энергопотребление своего компьютера до бесконечно малых 30 пиковатт — 300 триллионных долей ватта — модифицировав используемые транзисторы, уменьшив размер некоторых микросхем и оптимизировав их часть.
Если инженерам удастся преодолеть технологические препятствия, крошечные компьютеры могут пообещать нам революцию. К примеру, CubeWorks, компания, созданная по инициативе Michigan Micro Mote (M3) разработала систему сетевых микродатчиков, которые могут встраиваться в объекты, которые мы используем каждый день, такие как системы умного дома, ветряные электростанции и устройства для контроля уровня глюкозы, а затем подключаться к «интернету вещей». Работая от солнца, эти компьютеры способны собирать информацию о температуре и давлении окружающей среды, а также получать цифровые изображения и отслеживать движение в пределах определенной области. Однажды подобные системы могут преобразовать наши взаимодействия со всем, от зданий, в которых мы живем, до одежды, которую мы носим.
Да, мы пока не можем запускать подводные лодки в наших телах, но миллиметровые компьютеры появятся на рынке уже в следующем десятилетии. И они грозят изменить наш мир до неузнаваемости