長期以來，物聯網 (IoT) 范(fan)式(shi)一直(zhi)被認為是第四次工業革命的(de)(de)(de)關鍵動(dong)力，有可(ke)能改變(bian)我們的(de)(de)(de)生活(huo)方(fang)式(shi)。 然而，通過整合納米技術，它的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)有望進一步(bu)增強。
物(wu)聯網是一個相互關(guan)聯的(de)物(wu)理對象系統，其中嵌入了傳感(gan)器、天線、處理器、軟件和其他技術，以支持通(tong)過互聯網進行相關(guan)數(shu)(shu)據(ju)交換(huan)。從藥(yao)丸到制導(dao)導(dao)彈(dan)，這些設備(bei)的(de)應用范圍(wei)非常(chang)廣泛(fan)，而(er)且看起來(lai)還會不斷擴(kuo)大(da)。預計(ji) 2025 年物(wu)聯網連接(jie)設備(bei)的(de)數(shu)(shu)量將(jiang)達(da)到 750 億(yi)臺，生(sheng)成的(de)數(shu)(shu)據(ju)可能達(da)到數(shu)(shu)十(shi)甚(shen)至數(shu)(shu)百(bai) 億(yi)GB。
促進這種實質(zhi)性(xing)預測的(de)是使能(neng)技術（包括(kuo)(kuo)云計算和(he)大數(shu)據分(fen)析）和(he)各種通信(xin)模式（稱為物聯網協議）的(de)發展。這些協議支(zhi)持端點設備之間的(de)數(shu)據交換，例如傳感器和(he)連接環境中的(de)下一個硬件。它(ta)們包括(kuo)(kuo)用于短距離的(de)藍(lan)牙、Wi-Fi、ZigBee 和(he)近場通信(xin) (NFC)、用于長距離的(de)低功耗(hao)廣域(yu) (LPWA) 和(he) 5G。
可(ke)以說(shuo)，最引人入勝(sheng)的(de)發展之一在(zai)于納(na)(na)米(mi)(mi)技術的(de)整(zheng)合(he)。這有望通過(guo)納(na)(na)米(mi)(mi)設備最大限度地擴(kuo)展物聯網(wang)概念，并產生全新的(de)物聯網(wang)衍生產品，即納(na)(na)米(mi)(mi)物聯網(wang) (IoNT)。
納米器件
在(zai)(zai)物(wu)聯(lian)網設(she)備(bei)(bei)中采用納(na)(na)(na)米材(cai)料可以(yi)利用其卓越的(de)(de)特性(xing)來(lai)增加設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)功能(neng)、能(neng)源(yuan)效率和準確性(xing)，同時減(jian)小它們的(de)(de)尺寸。納(na)(na)(na)米天線、納(na)(na)(na)米處理器(qi)和納(na)(na)(na)米電(dian)池都是(shi)目前正(zheng)在(zai)(zai)使用或開發(fa)的(de)(de)物(wu)聯(lian)網納(na)(na)(na)米設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)例子(zi)，但在(zai)(zai)物(wu)聯(lian)網端點(dian)內，納(na)(na)(na)米設(she)備(bei)(bei)最常用作納(na)(na)(na)米傳感器(qi)。
納米傳感器
物聯網傳(chuan)感器必須監(jian)控(kong)傳(chuan)感環境中的特定現(xian)象(xiang)，為后續分(fen)析提(ti)供相(xiang)關數據。納米傳(chuan)感器使用范圍(wei)廣(guang)泛(fan)的納米材料(liao)來實現(xian)這一點，并且(qie)能夠進行物理、化學(xue)和生物監(jian)測。
例如，。 (2019) 開發了(le)一(yi)種靈活的(de)基于納(na)米(mi)線(xian)的(de)傳感(gan)器，用(yong)于實(shi)時(shi)(shi)氨 (NH3) 監測。該傳感(gan)器開發用(yong)于手表型設(she)備(bei)，與(yu)傳統的(de) NH3 傳感(gan)器相(xiang)比，它顯示出更低(di)的(de)檢測限和(he)更快的(de)響應時(shi)(shi)間，這主要是由于納(na)米(mi)線(xian)具有極高的(de)表面積與(yu)體積比。
極低(di)的(de)功耗(hao)（低(di)至 3μW）和可擴展的(de)軟光刻(ke)制造技術進一步支(zhi)持納米材料如何切實增強(qiang)物聯網傳(chuan)感(gan)器。
在(zai)用(yong)于(yu)連續(xu)血糖監(jian)測(ce)和(he)飲用(yong)水中(zhong)的(de)化(hua)學、微生物(wu)和(he)其他分析物(wu)監(jian)測(ce)的(de)非(fei)侵(qin)入性生物(wu)傳感器中(zhong)，已經看(kan)到(dao)了(le)類似的(de)基(ji)于(yu)納米的(de)優勢。
納米天線
物聯網(wang)天(tian)線負(fu)責通(tong)過各種波類型接收、解碼和(he)傳輸(shu)信息，從而實現物聯網(wang)設備的無線通(tong)信。納米(mi)天(tian)線，通(tong)常基于石墨(mo)烯，主要通(tong)過在太(tai)赫(he)茲頻段輻射來實現這種功能。
可(ke)以(yi)預見，它們比傳統天線(xian)小(xiao)得多，甚至(zhi)可(ke)以(yi)通過(guo)使用(yong)碳納米(mi)(mi)管與納米(mi)(mi)傳感器進行整合(he)，碳納米(mi)(mi)管既可(ke)以(yi)感知也可(ke)以(yi)發出信號(hao)。
另一(yi)個特別令(ling)人(ren)興奮的(de)基于納(na)(na)米(mi)的(de)優勢可能(neng)在于制造技術(shu)。 德雷塞爾大(da)學的(de)研(yan)究人(ren)員開發(fa)了一(yi)種碳(tan)化(hua)鈦納(na)(na)米(mi)天線，可以通過簡單的(de)一(yi)步過程直接(jie)噴涂(tu)到任何剛性或柔性物體上，無(wu)需增加任何重量或電路，使任何物體都能(neng)快速成為智(zhi)能(neng)物聯網設備。
納米處理器
IoT 處(chu)理器必(bi)須通過(guo)執(zhi)行適當的計算來處(chu)理從(cong) IoT 端(duan)點接收的數據(ju)。它們主(zhu)要由(you)硅制成，由(you)數百萬(wan)（通常是數十億）晶(jing)體(ti)管(guan)組成，這些晶(jing)體(ti)管(guan)在模(mo)擬邏輯功能(neng)的門集合中充當二進(jin)制開關(guan)。
納米(mi)處理(li)器(qi)仍然在(zai)(zai)實驗室中(zhong)，麻省理(li)工(gong)學院(yuan)的工(gong)程(cheng)師(shi)團(tuan)隊(dui)僅(jin)在(zai)(zai)幾年(nian)前(qian)的 2019 年(nian)開發(fa)了第一個(ge)可編程(cheng)碳(tan)納米(mi)管處理(li)器(qi)。 僅(jin)由 14000 個(ge)晶體管組成(cheng)，實現(xian)碳(tan)納米(mi)管在(zai)(zai)這(zhe)種(zhong)功(gong)能中(zhong)更高的效率和速(su)度可能仍然存在(zai)(zai)還要很多年(nian)。
納米電池
可以預見，智能設(she)備的無(wu)線系統(tong)具(ju)有適合長壽(shou)命、高能量(liang)密度(du)和可充(chong)電電池的顯著功率需求。鋰(li)離子(zi)變體是目(mu)前最受(shou)歡(huan)迎的。
納米電(dian)(dian)池在電(dian)(dian)極或膜中使用納米材料來降低自放電(dian)(dian)率(lv)、增加(jia)能量密度并減少充電(dian)(dian)時間。
索利曼等人 (2021) 發現(xian)碳納米管、鈦酸鋰氧化物納米顆粒和鍺納米線都是已成(cheng)功(gong)利用此效果(guo)的(de)納米材料的(de)例子。
納米物聯網
將所有或(huo)部分這些(xie)納米(mi)設備整合到現有的(de)物聯(lian)網(wang)概念中被認為(wei)會(hui)產生納米(mi)物聯(lian)網(wang)。盡(jin)管(guan)通常(chang)被描述(shu)為(wei)物聯(lian)網(wang)的(de)納米(mi)級版(ban)本，但 IoNT 的(de)含義遠遠超出了(le)簡單區分所暗示的(de)范圍。
納米設備(bei)的(de)(de)優勢(shi)，無論是納米傳(chuan)感器靈敏度的(de)(de)提高(gao)(gao)還是納米電池能量密度的(de)(de)提高(gao)(gao)，都使物聯網范式(shi)的(de)(de)復雜程度達到了(le)一個新的(de)(de)水(shui)平，并(bing)促進(jin)了(le)其在不斷增加的(de)(de)應用(yong)中的(de)(de)適用(yong)性。
物聯網和物聯網挑戰
隨著數十億傳感(gan)器收集空(kong)前數量(liang)的機密(mi)數據，隱私(si)和安(an)全(quan)問題是廣泛采用(yong)的關鍵障礙。在獲得對 IoT 和 IoNT 的必要(yao)信(xin)心之前，都需要(yao)適當(dang)級別的加密(mi)、網絡安(an)全(quan)協議和身份驗(yan)證。
如此大量(liang)的(de)傳感器也引發了對電源的(de)擔(dan)憂，尤其(qi)是考慮到當(dang)前電池技術對鋰的(de)依賴。
英國芯片制造商 Arm 強(qiang)調了這(zhe)個(ge)問題，指出要(yao)滿足(zu)預測的 IoT 和 IoNT 應用的電池(chi)需求(qiu)，需要(yao)將(jiang)全球每年的鋰產量增(zeng)加(jia)兩倍。
IoNT 和物聯網未來研究
為了解決 IoT 和 IoNT 面臨的(de)剩余挑戰，大量的(de)研究(jiu)已(yi)經在進行中。從多層區塊鏈安(an)全模型到(dao)基于(yu)石墨烯的(de)開關(guan)波束納米天線(xian)，未來的(de)研究(jiu)有望多種多樣。
一(yi)個解決(jue)傳感器和納米傳感器電源問題的迷人(ren)領域可能已經在(zai)能量收集中找到了解決(jue)方案，其中能量來自外部來源，然后轉換為有(you)用(yong)的電能。
再一次，該解決(jue)方案的未來很可能牢牢植根于納(na)米技(ji)術。 Phillips (2021) 表明，在其他例子(zi)中，壓電納(na)米發電機中的納(na)米線和(he)熱電發電機中的量子(zi)點可以完全(quan)取代(dai)物聯網和(he) IoNT 端點電池，從而在環保和(he)經濟上可行(xing)的同時實現該技(ji)術的大量采用。
