Распределенные датчики

Нанотехнологии позволяют производить практически неограниченное количество сверхминиатюрных датчиков (сенсоров) и других принимающих или следящих элементов, результатом чего может стать создание обширной и связной системы распределенных датчиков. В принципе, такие нанодатчики могут обладать исключительно высокой чувствительностью, позволяющей им, например, регистрировать и взвешивать отдельные молекулы или микроорганизмы, используя микроскопические кронштейны, специальным образом подготовленные покрытия и т.д. Нанотехнология предоставляет множество новых возможностей для создания высокоэффективных и высокоизбирательных биодатчиков с самыми разнообразными практическими применениями. Так называемые интерфейсные платы могут не только получать информацию от целого набора сенсорных клеток (как это осуществляется в каналах нанообменных мембран живых организмов), но и обрабатывать ее, включая перевод в «оцифрованную» форму. Наборы или решетки термочувствительных нанодатчиков уже сейчас могут, например, воспринимать и создавать инфракрасные «изображения» целых клеток (без использования привычных для таких исследований сложной криогенной техники), а недостаточная чувствительность этого метода вполне компенсируется его дешевизной и удобством практического применения.

Общеизвестно, что миниатюризация размеров практически всех типов датчиков приводит к снижению их чувствительности, что почти всегда имеет простое физическое обоснование, так как небольшие приборы всегда регистрируют меньшие значения измеряемой величины. Очевидно, что малые антенны и воспринимающие поверхности поглощают меньшие количества излучения, мембраны с малой площадью слабее прогибаются под воздействием регистрируемого давления, тонкие слои вещества поглощают меньшие количества излучения, малая пробная масса в датчиках ускорения соответствует более высокой резонансной частоте и т.п. Такие эффекты имеют общий характер, и на практике именно они сильно ограничивают возможности миниатюризации разнообразных приборов, не позволяя уменьшать размеры их деталей до нанометрического уровня (в некоторых случаях существенные физические ограничения проявляются гораздо раньше, еще на микроскопическом масштабе).

Размеры датчиков, входящих в состав более крупных и сложных систем (включающих в себя воспринимающие элементы, блоки обработки сигналов, каналы связи и электропитание), очень часто ограничиваются «снизу» условиями работы других составляющих системы, например минимальной длиной антенны, размерами источника питания и т.д. применение НТ даже в этих случаях может оказаться весьма эффективным средством дальнейшей миниатюризации хотя бы за счет снижения размеров отдельных элементов и деталей.

Для обеспечения связи и энергопитания большого числа датчиков, вводимых в какие-то крупные предметы снаряжения и устройства (винтовки, сиденья транспортных средств, носилки, детали летательных аппаратов и многое другое), проще всего подключать их к общей системе этих крупных установок. Такие «распределенные» датчики, обеспеченные постоянной (возможно, проводной) связью и питанием, практически уже давно используются для логистики, контроля оборудования, слежения за состоянием окружающей среды и проверки условий безопасности.

Распределенные датчики, предназначаемые для эксплуатации в реальных боевых условиях, должны удовлетворять совершенно иным требованиям. Они должны быть способны к автономной работе и быстрым перемещениям, что уже требует отдельной системы энергопитания и беспроволочной связи (например, по радио или световыми сигналами). Существующие образцы датчиков боевого применения имеют размеры в несколько сантиметров, однако успехи микроэлектроники позволяют надеяться, что уже в ближайшие годы размеры снизятся до 1 мм, как предлагается в проекте Smrat Dust. Проблемы питания и связи микродатчиков разработчики предполагают решить «пассивным» механизмом при помощи постоянного направленного на датчик излучения дистанционно удаленного лазера. На поверхности датчика открывается или закрывается «окно» (оптический затвор, располагаемый перед отражателем), что позволяет передавать отраженным лучом необходимую информацию. Недостатком такой связи является то, что она может осуществляться только в пределах прямой видимости, но, с другой стороны, противнику будет очень трудно перехватывать такие сообщения. Другим очевидным недостатком описываемой системы является то, что она позволяет легко «обнаружить» носитель датчика, но в некоторых ситуациях (например, при использования дешевых беспилотных самолетов-разведчиков) потеря транспортного средства или носителя может оказаться приемлемой ценой за получаемую информацию.

Гораздо более гибкой и эффективной представляется система радиосвязи посредством самоорганизующейся сети, формируемой большим числом датчиков, в которой расстояние между отдельными элементами является очень малым (речь идет о среднем расстоянии между отдельными датчиками в весьма плотной системе датчиков, связь между которыми осуществляется по «запросу»), однако очевидно, что перехват или нарушение такой системы связи противником становится значительно более легким.

Распределенные датчики могут использоваться и для взаимной проверки выполнения международных договоров о разоружении или просто соглашений о перемирии или контроле в области самых разных видов вооружений (обычных, ядерных, химических или биологических). Разумеется, в некоторых конкретных ситуациях использование слишком большого числа сверхмалых датчиков может оказаться ненужным или даже контрпродуктивным. Такие распределенные датчики могут быть размещены в различных точках на длительный срок, причем во многих случаях не стоит даже беспокоиться о беспроволочной связи и электропитании для передачи данных, так как для этих целей гораздо разумнее использовать очень надежные и удобные датчики обычных размеров (порядка сантиметра). Специфика использования НТ в этих ситуациях сводится скорее к внедрению датчиков (с повышенной чувствительностью, например, к химическим и биологическим агентам) в более крупные системы и устройства.

Можно ожидать, что через несколько лет начнется самое широкое использование и внедрение нанодатчиков стандартного типа, присоединяемых к самым разным элементам военного обмундирования и оборудования, а также их использование для проверки выполнения условий и соглашений. Разработка и изучение методов использования огромного числа очень небольших датчиков для непосредственного контроля обстановки на поле сражения представляет собой интересную военно-теоретическую проблему, решение которой займет около 5–10 лет.