Sim, Poeira Inteligente (PI), ou smart dust, é um projeto concluído em 2001 e que talvez tenha iniciado em 1997. Só pelo nome, já começamos a ter uma ideia das possibilidades tecnológicas, militares e de controle tecno-social que advém destas pesquisas da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA) com participação da Agência de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA). Deste projeto, outros projetos foram desenvolvidos, os quais, pretendo abordar em artigos posteriores. Verdadeiramente, as novas tecnologias a que os povos acessam estão 25, 50 anos atrasadas em relação às tecnologias militares.
BAA 97-43
SMART DUST
UC Berkeley, "outras instituições educacionais"
Ponto de contato: Kristofer S.J. Pister
497 Cory Hall
Berkeley, CA 94720
(510) 643-9268
(510) 643-6637 (fax)
pister@eecs.berkeley.edu
Total de recursos: US$ 2.950.000 ≈ R$ 16.225.000
[pode conter erros de tradução]
Seção IIA. Reivindicações
Smart Dust: plataformas de sensoriamento e comunicação em escala milimétrica.
Desenvolveremos e demonstraremos uma família de sistemas de redes de sensores distribuídos. Cada sistema consistirá em um, ou mais, receptores de dados e em centenas a milhares de nódulos sensores.
Partícula de poeira [Dust mote]
Cada nódulo sensor (partícula de poeira) consistirá em:
• Fonte de alimentação: Conjunto de células solares, bateria de filme espesso, ou bateria comercial, para aparelho auditivo, utilizados individualmente, ou em combinação.
• Sensor(es): Um, ou mais, sensores MEMS escolhidos a partir de um conjunto que inclua, pelo menos: vibração, temperatura, pressão barométrica, som, luz e campo magnético.
• Circuitos: Interface analógica para o sensor, conversão analógico-digital, memória RAM e PROM, além de circuitos digitais de sequenciamento e controle.
• Comunicação: Refletor de cubos-de-recanto (retro-refletor modulado) e/ou diodo laser infravermelho híbrido para transmissão e fotodiodo para recepção.
O tamanho desses elementos sensores variará de 1 mm³ - para uma partícula equipada com células solares e bateria de filme espesso - até o tamanho de um cubo de açúcar para unidades alimentadas por baterias comerciais, passando por versões até 100x menores para partículas alimentados exclusivamente por células solares. O custo do elemento sensor variará de aproximadamente US$ 0,10 por nódulo, a vários dólares por nódulo, dependendo principalmente do tipo de fonte de alimentação (baterias de aparelhos auditivos são caras).
Receptor de dados
O receptor de dados consistirá em um sistema óptico convencional para captar simultaneamente os sinais de centenas, ou milhares, de sensores, um chip de imagem CMOS personalizado para processar os sinais e um sistema de exibição para apresentar os dados. Para alcances de comunicação de até algumas centenas de metros, todo o receptor será integrado a um dispositivo do tamanho de um binóculo, permitindo a sobreposição dos dados em tempo real provenientes das partículas, a uma imagem de vídeo em tempo real da cena.
Para a recepção de dados a longas distâncias, sistemas receptores com peso de 10 kg serão capazes de ler os dados dos sensores a distâncias de até várias dezenas de kms, permitindo a recepção a partir de veículos aéreos não tripulados (VANTs). O núcleo do sistema de coleta de dados é o chip de imagem CMOS desenvolvido sob medida. Já demonstramos a transmissão paralela de dados utilizando chips de imagem CCD convencionais; no entanto, esses chips limitam-se a taxas de alguns milhares de quadros por segundo com resolução razoável. As taxas de transmissão de dados ficam limitadas a, no máximo, metade da taxa de quadros. Com a tecnologia de imagem CMOS de pixels ativos, o processamento local da imagem pode ser realizado em cada pixel, ou em vizinhanças de pixels, permitindo que sinais com taxas de dados extremamente elevadas, provenientes de milhares de sensores individuais, sejam coletados por um único chip.
Aplicações
As seguintes aplicações são sugeridas para demonstrar a tecnologia. Estamos abertos a colaborações com todos os ramos das forças armadas e com o setor comercial.
Aplicações militares
Com nódulos sensores contendo dispositivos de detecção acústica, de vibração e de campo magnético, será possível cobrir vastas áreas de território com uma rede de sensores capaz de registrar a passagem de qualquer veículo maior que uma motocicleta e fornecer, mediante consulta, um histórico temporal de todo esse tráfego veicular. Os sensores poderiam ser lançados na área por meio de VANTs (Veículos Aéreos Não Tripulados), artilharia, ou dispersão - semelhante à semeadura - a partir de um, ou mais, veículos em movimento. A rede poderia ser consultada por MAVs (Micro Veículos Aéreos), ou por soldados equipados com binóculos modificados. A densidade de sensores necessária seria de aproximadamente 10.000 unidades por km² (espaçamento médio de 10 m), com um custo na faixa de milhares a dezenas de milhares de dólares por km². Sensores químicos e biológicos estão fora do escopo deste trabalho, mas especialistas em MEMS concordam que esses sensores se tornarão cada vez mais disponíveis nos próximos anos. Uma vez integrados a um sistema de Poeira Inteligente, esses sensores permitirão a detecção precoce e a longa distância de agentes químicos e biológicos em cenários de combate. Eles também poderiam ser utilizados para monitorar o uso de precursores químicos em instalações de fabricação e arredores, em países como o Iraque. Novamente, a dispersão e a consulta dos dados poderiam ser realizadas por sistemas de VANTs. É possível estabelecer comunicação a altitudes de até 60 km, permitindo que o sistema seja consultado por aviões espiões de grande altitude, como o U-2.
Manutenção baseada na condição
Não é necessário que os sensores sejam distribuídos aleatoriamente. O posicionamento cuidadoso de sensores distribuídos em partes críticas de aeronaves, veículos terrestres e equipamentos de manufatura pode melhorar drasticamente a vida útil e reduzir os custos de manutenção desses investimentos. A manutenção baseada na condição tem sido um tema de grande interesse nos setores militar e industrial há anos; a tecnologia MEMS nos oferece a possibilidade de implementá-la em larga escala. Escolhemos a fadiga de alto ciclo (HCF) em pás rotativas de compressores como caso de demonstração. A capacidade de instrumentar peças rotativas de alta velocidade demonstra o enorme potencial dos micro-sensores sem fio; a HCF foi escolhida por representar um problema tanto para aeronaves militares quanto para equipamentos de compressão comerciais. Atualmente, componentes de motores precisam passar por inspeções regulares de fadiga, com intervalos definidos para minimizar a probabilidade de falha antes da inspeção. A possibilidade de fixar um sensor a uma pá e medir a amplitude e o número de ciclos seria extremamente útil, tanto para reduzir a manutenção desnecessária quanto para detectar falhas inesperadas que ocorrem antes da próxima inspeção programada. Uma limitação importante no uso de sensores para mitigar os riscos e custos associados à fadiga de alto ciclo é a dificuldade de realizar a fiação de sensores localizados em um ventilador rotativo. Além disso, os níveis de vibração e aceleração podem ser muito elevados, criando desafios para o hardware eletrônico e os conectores convencionais. Para esta aplicação, estamos estabelecendo uma parceria com a United Technologies, empresa controladora da Pratt & Whitney e da Sikorsky.
Seção IIB. Entregáveis
Ano 1
Partículas-de-poeira: No 1° ano, demonstraremos protótipos funcionais de nódulos sensores em miniatura alimentados por baterias de aparelhos auditivos. Esses nódulos serão totalmente autônomos, contendo um sensor (provavelmente de temperatura), interface analógica, conversor analógico-digital e um retrorrefletor de cubos-de-recanto e/ou transmissor com diodo de infravermelho (IR). O volume total dos nódulos será inferior a 1 cm³, sendo composto quase inteiramente pela bateria. O encapsulamento consistirá em uma capa de plástico transparente.
Sistema: Demonstraremos pelo menos 10 desses nódulos transmitindo em paralelo suas identificações (IDs) únicas e informações do sensor para um receptor portátil, a uma distância de pelo menos 50 m. A captura de imagem será realizada por meio de uma câmera de vídeo CCD comercial.
Ano 2
Partículas de poeira: Demonstrar partículas de poeira alimentadas por energia solar. Elas terão menos de 10 mícrons de espessura, sendo fabricadas a partir da remoção das camadas superficiais de um chip CMOS. Com bateria de reserva, elas ficarão ativas apenas durante o dia, ou quando interrogadas por um laser. Esses dispositivos não serão encapsulados! Sua velocidade terminal no ar será inferior a 10 cm/s, aproximadamente equivalente à da poeira. Sua relação resistência-peso será tão elevada que milhares delas poderão ser transportadas com segurança em um frasco de 1 cm³. O custo de fabricação corresponderá apenas ao custo por mm² do processo CMOS, tipicamente entre 5 e 20 centavos de dólar por mm². Integrar diversos outros tipos de sensores às partículas de poeira: vibração, campo magnético e acústico.
Sistema: Demonstrar uma câmera CMOS de pixels ativos recebendo dados de, pelo menos, fontes paralelas a 10 kbps cada.
Aplicação: Demonstrar a transmissão de dados a partir de pás de ventilador em rotação em um compressor em operação.
Ano 3
Partículas de poeira: Integrar baterias recarregáveis de filme espesso ao nó baseado em célula solar do Ano 2, em um encapsulamento de 1 mm³, proporcionando pelo menos um dia de autonomia entre as recargas solares.
Sistema: Demonstração de um sistema portátil que recebe dados de pelo menos 1.000 partículas de poeira transmitindo diferentes tipos de informações a distâncias de, no mínimo, 1 km. Exibição de dados em tempo real sobreposta a uma imagem de vídeo do terreno, também em tempo real.
Aplicação: Um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) do tipo helicóptero autônomo, fabricado pela Photo Emission Technologies, será utilizado para receber dados de uma rede de sensores distribuídos. A rede será suficientemente densa e robusta para rastrear o movimento de veículos terrestres e transmitir essas informações posteriormente ao VANT.
Seção IIC. Custo
Seção IID. Abordagem técnica
A maioria dos subsistemas aqui propostos já está bastante madura, e grande parte do trabalho proposto consiste na integração de uma ampla gama de tecnologias e dispositivos distintos.
Seção IID. Abordagem técnica
A maioria dos subsistemas aqui propostos já apresenta um nível considerável de maturidade, e grande parte do trabalho proposto consiste na integração de uma ampla gama de tecnologias e dispositivos distintos.
Refletores de cubos-de-recanto
Os refletores de cubos-de-recanto o funcionam como transmissores ao modular a luz refletida. Um feixe de laser que incide em um canto perfeito de 90° reflete nas 3 faces espelhadas e retorna diretamente para a fonte do laser (embora com alguma dispersão adicional do feixe). Se você estiver posicionado próximo ao laser, verá um ponto brilhante onde o refletor de cubos-de-recanto está localizado. Se uma das faces do canto sair do alinhamento - mesmo que por menos de 1° - a luz refletida é desviada para outras direções. Da perspectiva do observador próximo ao laser, o ponto desaparece. Isso permite que o refletor de cubos-de-recanto transmita informações digitais ao observador via laser, simplesmente realizando movimentos muito pequenos em uma das faces do cubo. A fonte de potência óptica provém do observador (interrogador). Com a presença de um fotodiodo no dispositivo (a partícula), o interrogador a laser pode se comunicar com ele modulando a intensidade do laser. Dessa forma, o dispositivo pode permanecer passivo até receber um sinal codificado apropriado. Isso significa que uma rede composta por milhares, ou até milhões, de nódulos sensores em uma área de 1 km² poderia operar de forma totalmente sigilosa e indetectável. A comunicação via refletores de cubos-de-recanto apresenta, inerentemente, baixa probabilidade de interceptação. Demonstramos refletores de cubos-de-recanto operando com modulação de até 10 kHz e taxas de transmissão de dados de até 1.000 bits/s (1 kbps). O circuito de controle do refletor de cubos-de-recanto utiliza, atualmente, o protocolo de transmissão de dados serial RS232. O receptor de transmissão paralela é composto inteiramente por componentes comerciais padrão: um pequeno telescópio (modelo Edmund Scientific Celestron com abertura de quatro polegadas), uma câmera de vídeo CCD, um notebook e uma placa de captura de vídeo. Um apontador laser de 5 mW da Radio Shack é acoplado ao telescópio para iluminar/interrogar os refletores de cubos-de-recanto. As imagens de quadros de vídeo sucessivos são subtraídas para eliminar a luz de fundo; assim, sempre que um refletor de cubos-de-recanto no campo de visão muda de estado (de ligado para desligado, ou vice-versa), isso aparece como um ponto brilhante na imagem. O rastreamento desses pontos brilhantes ao longo do tempo e a conversão do sinal do formato serial/RS232 permitem obter os dados provenientes de cada refletor. Milhares de refletores podem transmitir simultaneamente, pois seus sinais estão espacialmente separados na imagem; consequentemente, os sinais aparecem fisicamente distintos na câmera CCD e nos quadros resultantes. Demonstramos a transmissão paralela de dados a partir de dois refletores de canto (transmitindo seus próprios identificadores exclusivos e palavras de dados) para a unidade receptora situada a 80 m de distância. Embora a largura de banda fosse de apenas 10 bps (limitada pela taxa de quadros da câmera de vídeo CCD comercial utilizada), os refletores de canto transmissores operavam com uma potência da ordem de nanowatts. Demonstramos o funcionamento de refletores de canto fabricados tanto por meio de um processo de micromecanização de superfície em polissilício (MCNC/MUMPS) quanto em tecnologia CMOS padrão (processo Orbit de 2 mícrons via MOSIS).
Sensor de Imagem CMOS
Para criar um receptor de dados de alta velocidade para a tecnologia Poeira Inteligente, é absolutamente indispensável contar com processamento local nos próprios pixels. À medida que a taxa de modulação de refletores de recanto de canto supera os 10 kbps demonstrados atualmente, torna-se não apenas inviável, mas impossível operar uma matriz CCD com velocidade suficiente para acompanhar essa demanda. Sensores de imagem CMOS de pixels ativos foram propostos inicialmente no final da década de 1960; no entanto, até a década passada, a tecnologia ainda não estava madura o bastante para competir com as câmeras CCD. Hoje, contudo, com larguras de linha muito inferiores a um mícron, os processos de fabricação CMOS permitem integrar uma quantidade significativa de circuitos analógicos e digitais fisicamente em paralelo à superfície de captura de imagem. Embora haja uma certa perda de sensibilidade (um fator de 2), as vantagens de utilizar um processo padrão de baixo custo e processamento de sinal integrado ao chip tornam a solução economicamente vantajosa para certas aplicações. Um exemplo comercial semelhante é o uso de chips de imagem CMOS em algumas bolas de rastreamento (trackballs) de computador, nos quais o movimento de pontos na esfera é medido diretamente no nível do pixel e transmitido do chip para o computador, sem necessidade de processamento adicional.
Fonte de alimentação
Células solares fornecem aproximadamente 100 microwatts de potência por mm² sob luz solar plena (isto é, com potência óptica incidente de 1 mW/mm² e eficiência de 10%). Sob iluminação a laser, é possível obter uma potência de saída maior. Ao conectar as células em série, ou em paralelo, a potência pode ser fornecida na tensão desejada, com a correspondente redução da corrente em tensões mais elevadas. O grupo de pesquisa de Kovacs, em Stanford, demonstrou uma técnica para fabricar matrizes de fotodiodos eletricamente isolados utilizando um processo padrão. A primeira tentativa falhou devido a um erro no projeto do circuito, mas a técnica é fundamentalmente sólida. Com a transição para processos SOI, a implementação de células solares torna-se ainda mais simples.
As baterias de filme fino e espesso demonstradas por Bates, em Oak Ridge, e por Bruce Dunn, na UCLA, baseiam-se na tecnologia de lítio/vanádio. Essas baterias apresentaram densidades de energia bem acima de 1 J/mm³ e milhares de ciclos de recarga. O grupo de Dunn, na UCLA, já trabalha na integração dessas baterias com dispositivos MEMS em estruturas inteligentes. As baterias de zinco-ar disponíveis comercialmente (para aparelhos auditivos) armazenam 1.000 Joules em algumas centenas de mm³ e podem fornecer correntes de pico na ordem de dezenas de miliamperes. O consumo típico de energia para dispositivos de Poeira Inteligente em modo de escuta passiva situar-se-ia na faixa de 10 µW a 1 mW, resultando em uma vida útil da bateria variando de alguns dias a um ano. Sob condições de carga semelhantes, as baterias de filme espesso de 1 mm³ forneceriam energia por um período entre 20 minutos e 24 horas.
Sensores
Em processos CMOS disponíveis comercialmente, demonstramos acelerômetros de 3 eixos, magnetômetros de alta frequência de 3 eixos e magnetômetros de eixo único, baixa frequência e alta sensibilidade.
Integração
A maioria dos dispositivos discutidos acima foi demonstrada por meio de micro-mecanização simples pós-processamento CMOS em chips que já possuíam eletrônica funcional integrada. Na medida do possível, essa será a abordagem utilizada neste projeto. No entanto, não pretendemos insistir exaustivamente na invenção de métodos novos e engenhosos para integrar todos os dispositivos possíveis em um único processo. Certamente, os magnetômetros, acelerômetros, sensores de temperatura e matrizes de células solares serão fabricados em um processo padrão disponível comercialmente, como já foi feito anteriormente. Esses processos são muito mais baratos e confiáveis do que aqueles que podem ser executados por estudantes em uma sala limpa universitária. Os cubos-de-recanto também podem ser fabricados no processo CMOS, embora, até o momento, os refletores de maior desempenho tenham sido fabricados via MCNC/MUMPS. Caso sejam necessários refletores do tipo MUMPS, eles serão transferidos das pastilhas MUMPS para as pastilhas CMOS por meio de montagem manual em uma estação de sondagem - possivelmente motorizada e automatizada. Vale ressaltar que essa operação de transferência e montagem não está sendo proposta como uma entrega principal do contrato; nós simplesmente a realizaremos, pois não é algo complexo. Uma breve anedota: os primeiros 20.000 acelerômetros enviados pela Analog Devices exigiram montagem manual por técnicos (eles ficavam aderidos ao substrato durante a etapa de liberação). O custo por acelerômetro, considerando o tempo do técnico e da estação de sondagem para essa tarefa, foi de US$ 0,17 (comunicação pessoal, Richie Payne, Analog Devices). Para esta proposta, qualquer custo abaixo de US$ 1 por partícula é aceitável. Da mesma forma, se diodos de laser infravermelho (IV) forem utilizados para comunicação, eles certamente precisarão ser montados na pastilha CMOS (lasers IV são fabricados a partir de semicondutores do grupo III-V).
Interrogação via helicóptero
A Photo Emission Technologies está desenvolvendo uma plataforma de helicóptero autônomo com rotor de 2 m de diâmetro, a qual será utilizada para transportar o sistema de interrogação desenvolvido nos anos 2 e 3. A capacidade de carga útil do helicóptero é de 15 kg, destinada ao sistema de interrogação, a um link de dados de alta velocidade entre o helicóptero e a base em terra e a um sistema de dispersão de Poeira Inteligente. Na entrega final do terceiro ano, o helicóptero será utilizado para dispersar Poeira Inteligente em uma área de várias centenas de m² e posteriormente, retornar para interrogar a poeira e determinar o número, o tipo, o horário e a direção dos veículos que passaram pelo local. As informações serão transmitidas em tempo real para o operador em terra.
Seção IIE. Outras pesquisas
Há um crescente corpo de pesquisas em MEMS na área de micro-óptica de espaço livre. Grupos da UCLA, UC Berkeley, Sandia e AFIT produziram uma gama impressionante de componentes micro-ópticos, incluindo lasers integrados com microlentes [UCLA, UCB], redes de difração rotativas [AFIT], espelhos motorizados [Sandia, UCB] e lasers de frequência ajustável [UCB]. Nosso trabalho em comunicação aproveitará essa base impressionante de dispositivos, quase todos fabricados pelo processo MCNC/MUMPS, apoiado pela DARPA. A tecnologia de baterias de filme fino também está amadurecendo rapidamente. Este esforço de pesquisa se beneficiará do trabalho realizado por Bates e outros em Oak Ridge. Redes de sensores distribuídos em escala muito maior têm sido o foco de vários projetos patrocinados pela DARPA, incluindo monitores pessoais de pulso na Universidade de Michigan e sensores de segurança doméstica e para campos de batalha desenvolvidos pela UCLA/Rockwell. Esses projetos demonstram a prova de conceito para sensores distribuídos MEMS, embora em uma escala linear de 10 a 100x maior do que a proposta aqui. Os pesquisadores Pister e Kahn possuem um contrato com a divisão Hughes Space and Communications para desenvolver redes de micro-sensores autônomos para sensoriamento e comunicação dentro de compartimentos de carga útil de satélites, e grande parte do trabalho aqui proposto é apoiada por pesquisas preliminares realizadas com esse financiamento. Pister conta com recursos da NSF, em colaboração com a Washington State University, para desenvolver os processos necessários para viabilizar a fabricação das matrizes de células solares descritas neste resumo. Dunn possui um contrato da DARPA para desenvolver as baterias de filme espesso aqui mencionadas, visando sua aplicação em estruturas inteligentes. Esse financiamento ajudou a criar a infraestrutura que permitirá a conclusão do trabalho descrito nesta proposta e sua transferência para um ambiente de manufatura.
Seção IIF. Organização
Kris Pister, professor associado da UC Berkeley, liderará a equipe. Ele traz experiência em redes de sensores distribuídos, projeto de microsensores de baixo custo, comunicação de consumo de energia ultrabaixo e projeto de microsistemas integrados. Ele foi coautor da bem-sucedida proposta LWIM, atualmente conduzida por Bill Kaiser na UCLA. Ele possui uma patente pendente relativa a um projeto de acelerômetro de baixo custo, o qual foi licenciado e teve protótipos desenvolvidos por uma importante empresa do setor de circuitos analógicos. Seu grupo de pesquisa foi o primeiro a demonstrar um micro-refletor de cubos-de-recanto funcional e atualmente, detém o melhor desempenho nessa área. Grande parte de seus esforços de pesquisa concentra-se no desenvolvimento de micro-sistemas autônomos e micro-robótica. Joseph Kahn, professor da UC Berkeley, oferece expertise específica em comunicação por infravermelho (IV). Ele é um dos principais pesquisadores atuais na área de comunicação por IV de alta velocidade. Bruce Dunn, professor da UCLA, é líder mundial em baterias de filmes finos e espessos fabricadas pelo processo sol-gel. Richard Murray, professor associado da Caltech, é especialista no controle de fluxo não linear, bem como de estol rotativo (*rotating stall*) e *surge* em sistemas de compressores, atuando também como consultor regular da United Technologies Corporation. A Photo Emission Technologies recebeu diversos prêmios SBIR na área de sistemas autônomos para vigilância em campos de batalha. Helicópteros VANT (Veículos Aéreos Não Tripulados) autônomos, desenvolvidos sob outros contratos, serão modificados para transportar receptores de Poeira Inteligente para a demonstração prevista para o 3° ano do projeto. A PET também é uma forte candidata à transferência de tecnologia para a fabricação em larga escala e baixo custo das unidades de Partículas Inteligentes. A Tanner Research, Inc. desenvolveu diversos projetos de câmeras CMOS com financiamento da DARPA, incluindo um sistema de imagem CMOS capaz de capturar 2.000 quadros por segundo. Além disso, a empresa desenvolve ativamente sistemas de comunicação baseados em refletores de cubos-de-recanto para aplicações IFF (Identificação Amigo-Inimigo). Eles são parceiros ideais para a transferência da tecnologia de imagem CMOS e estarão em excelente posição para fabricar sistemas que utilizem essa tecnologia. A United Technologies é uma corporação com faturamento de US$ 23 bilhões que fornece uma ampla gama de produtos de alta tecnologia e serviços de suporte a clientes nos setores aeroespacial, de construção civil e automotivo em todo o mundo. Entre os produtos mais conhecidos da UTC estão os motores de aeronaves Pratt & Whitney, elevadores e escadas rolantes Otis, sistemas de aquecimento e ar-condicionado Carrier, helicópteros Sikorsky, sistemas aeroespaciais Hamilton Standard e componentes e sistemas automotivos UT Automotive. A corporação também fornece equipamentos e serviços para o programa espacial dos EUA.--FIM DA TRADUÇÃO
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