長期以來，物聯網 (IoT) 范式一直被認為是第四次工業革命的(de)關鍵動力，有可能改(gai)變(bian)我們的(de)生活方式。 然(ran)而，通(tong)過(guo)整合納米技術，它(ta)的(de)影響有望進一步增強。
物聯網是(shi)一(yi)個相(xiang)互關聯的物理對象系統，其中嵌入了傳(chuan)感器、天線(xian)、處理器、軟(ruan)件和其他技術，以支持通過互聯網進行相(xiang)關數據交換。從(cong)藥(yao)丸到(dao)制導(dao)導(dao)彈，這些設備的應用范圍非(fei)常廣泛，而(er)且看起來(lai)還(huan)會不斷擴大。預(yu)計 2025 年物聯網連接設備的數量將達到(dao) 750 億臺，生(sheng)成的數據可能達到(dao)數十甚至數百 億GB。
促進(jin)這種(zhong)實質性預測的(de)是(shi)使能技術（包(bao)括云(yun)計算和大數(shu)據分析）和各(ge)種(zhong)通信(xin)模式（稱為(wei)物(wu)聯網協(xie)議）的(de)發展。這些(xie)協(xie)議支(zhi)持端點設備(bei)之(zhi)間的(de)數(shu)據交換(huan)，例如傳感器和連接環境(jing)中的(de)下(xia)一個硬件。它們包(bao)括用于短距離的(de)藍牙、Wi-Fi、ZigBee 和近(jin)場(chang)通信(xin) (NFC)、用于長(chang)距離的(de)低功耗(hao)廣(guang)域(yu) (LPWA) 和 5G。
可(ke)以說，最(zui)引人入勝的發(fa)展之一在于納米技(ji)術的整合(he)。這有望通過納米設備最(zui)大限度(du)地擴展物聯網概念，并產生全新(xin)的物聯網衍生產品，即納米物聯網 (IoNT)。
納米器件
在物聯網設(she)備中采用(yong)納(na)(na)米(mi)(mi)材(cai)料可以利用(yong)其(qi)卓(zhuo)越的(de)特性來增加設(she)備的(de)功能(neng)、能(neng)源效率和準確(que)性，同(tong)時減小它(ta)們的(de)尺寸。納(na)(na)米(mi)(mi)天線(xian)、納(na)(na)米(mi)(mi)處(chu)理(li)器和納(na)(na)米(mi)(mi)電池都是目前正在使(shi)用(yong)或開發的(de)物聯網納(na)(na)米(mi)(mi)設(she)備的(de)例子(zi)，但在物聯網端(duan)點內，納(na)(na)米(mi)(mi)設(she)備最常用(yong)作(zuo)納(na)(na)米(mi)(mi)傳感器。
納米傳感器
物聯網(wang)傳(chuan)(chuan)感器必須監控傳(chuan)(chuan)感環境中的特定(ding)現(xian)象，為后續分(fen)析提(ti)供相(xiang)關數據。納米傳(chuan)(chuan)感器使用范(fan)圍廣泛(fan)的納米材料來實現(xian)這一點，并且能(neng)夠進行物理、化學和生物監測(ce)。
例如(ru)，。 (2019) 開(kai)發了一種(zhong)靈活的(de)基(ji)于(yu)納米線的(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器，用于(yu)實時(shi)氨 (NH3) 監測。該傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器開(kai)發用于(yu)手表(biao)型(xing)設備(bei)，與(yu)傳(chuan)(chuan)統(tong)的(de) NH3 傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器相比，它顯示出更低的(de)檢(jian)測限和更快(kuai)的(de)響(xiang)應時(shi)間(jian)，這主要是由于(yu)納米線具有極高的(de)表(biao)面積與(yu)體積比。
極低的(de)功耗（低至 3μW）和可擴展的(de)軟光(guang)刻制造(zao)技(ji)術進(jin)一步(bu)支持納米材料(liao)如何(he)切實增強物聯網傳感(gan)器。
在用(yong)于連續血(xue)糖監(jian)(jian)測和(he)飲用(yong)水中的(de)化學、微生物和(he)其他分析(xi)物監(jian)(jian)測的(de)非侵入(ru)性生物傳感(gan)器(qi)中，已經看到(dao)了類似的(de)基于納(na)米(mi)的(de)優勢。
納米天線
物(wu)聯網天(tian)線負(fu)責通(tong)(tong)(tong)過各種(zhong)波類(lei)型(xing)接收、解碼(ma)和傳輸信息，從而實(shi)現物(wu)聯網設備(bei)的無線通(tong)(tong)(tong)信。納米天(tian)線，通(tong)(tong)(tong)常(chang)基于石墨(mo)烯，主要通(tong)(tong)(tong)過在太赫茲頻段輻射(she)來實(shi)現這種(zhong)功能。
可(ke)以(yi)(yi)預見，它們比傳統天線小得(de)多，甚至可(ke)以(yi)(yi)通過使用碳納米(mi)(mi)管(guan)與(yu)納米(mi)(mi)傳感(gan)器(qi)進行整合(he)，碳納米(mi)(mi)管(guan)既可(ke)以(yi)(yi)感(gan)知也可(ke)以(yi)(yi)發出(chu)信(xin)號。
另(ling)一(yi)個特別(bie)令人興奮的(de)基于納米的(de)優勢可能(neng)在于制(zhi)造(zao)技術。 德雷塞爾大學的(de)研究人員開發了一(yi)種碳化(hua)鈦納米天線，可以(yi)通過簡單的(de)一(yi)步過程直(zhi)接噴(pen)涂到任何剛性或柔性物(wu)體上(shang)，無需增(zeng)加(jia)任何重量或電(dian)路，使(shi)任何物(wu)體都能(neng)快速成為(wei)智能(neng)物(wu)聯網設(she)備(bei)。
納米處理器
IoT 處(chu)理器必須通(tong)過執行適當的計(ji)算(suan)來(lai)處(chu)理從 IoT 端點接收的數(shu)據。它(ta)們主(zhu)要由(you)(you)硅制成，由(you)(you)數(shu)百(bai)萬（通(tong)常是數(shu)十億）晶(jing)體管組成，這些(xie)晶(jing)體管在模擬邏輯功(gong)能(neng)的門集合中(zhong)充當二(er)進制開關。
納(na)米處理(li)器仍然(ran)(ran)在實(shi)驗室中(zhong)，麻省理(li)工學院的工程師團隊僅在幾(ji)年前的 2019 年開(kai)發了第一個(ge)可(ke)編程碳(tan)納(na)米管(guan)處理(li)器。 僅由(you) 14000 個(ge)晶(jing)體管(guan)組成，實(shi)現碳(tan)納(na)米管(guan)在這種功(gong)能(neng)中(zhong)更高的效(xiao)率和速度(du)可(ke)能(neng)仍然(ran)(ran)存在還要很多年。
納米電池
可以預見，智(zhi)能(neng)設備的(de)(de)無線系統(tong)具有適合長(chang)壽命、高能(neng)量密(mi)度和可充(chong)電電池的(de)(de)顯著功率(lv)需(xu)求(qiu)。鋰(li)離子變體是目(mu)前最受歡迎的(de)(de)。
納米電池(chi)在(zai)電極或(huo)膜中使用納米材料來降(jiang)低自(zi)放電率、增(zeng)加能量(liang)密度并減少充(chong)電時間。
索利曼等人 (2021) 發(fa)現碳納米(mi)(mi)管、鈦酸鋰(li)氧(yang)化物納米(mi)(mi)顆(ke)粒和鍺(zang)納米(mi)(mi)線(xian)都是(shi)已成功利用此效果的納米(mi)(mi)材料的例(li)子。
納米物聯網
將所有或部分(fen)這些(xie)納米設(she)備整合到現有的(de)(de)物(wu)聯網(wang)概念(nian)中被認為(wei)會產生納米物(wu)聯網(wang)。盡管通常被描(miao)述為(wei)物(wu)聯網(wang)的(de)(de)納米級(ji)版本，但 IoNT 的(de)(de)含(han)義(yi)遠遠超出了簡單區分(fen)所暗示的(de)(de)范圍。
納米設備的(de)優勢，無論(lun)是納米傳感(gan)器(qi)靈敏(min)度(du)的(de)提高還(huan)是納米電池能量密度(du)的(de)提高，都使物(wu)聯網范式的(de)復雜程(cheng)度(du)達到了一個新(xin)的(de)水平，并(bing)促進(jin)了其在(zai)不斷增加的(de)應(ying)用中的(de)適用性。
物聯網和物聯網挑戰
隨著(zhu)數十億傳感(gan)器收集空前(qian)數量的機密數據，隱私和(he)(he)安全問題(ti)是廣泛采(cai)用的關鍵障(zhang)礙。在獲得(de)對 IoT 和(he)(he) IoNT 的必(bi)要信心之前(qian)，都需要適當級別的加密、網(wang)絡安全協議和(he)(he)身份驗(yan)證(zheng)。
如(ru)此大量的傳感器也引發了對(dui)電(dian)源的擔(dan)憂(you)，尤(you)其(qi)是考慮到當前電(dian)池技術對(dui)鋰的依賴。
英國芯片制造(zao)商 Arm 強(qiang)調了這個(ge)問題，指(zhi)出(chu)要滿足(zu)預(yu)測(ce)的 IoT 和 IoNT 應(ying)用的電池需(xu)求，需(xu)要將全球(qiu)每年的鋰(li)產量增加(jia)兩倍(bei)。
IoNT 和物聯網未來研究
為了解決(jue) IoT 和(he) IoNT 面臨(lin)的剩余挑戰，大量(liang)的研(yan)(yan)究已經(jing)在進行中。從(cong)多層區塊鏈安全(quan)模型到基于(yu)石墨(mo)烯的開關波束(shu)納米(mi)天線，未來的研(yan)(yan)究有望多種多樣。
一個解(jie)決(jue)傳感器和納米傳感器電源問題的迷人領(ling)域可能(neng)已經(jing)在能(neng)量收集中(zhong)找到了解(jie)決(jue)方(fang)案，其中(zhong)能(neng)量來(lai)自外部來(lai)源，然后轉換為有(you)用的電能(neng)。
再一次，該解決方案的(de)(de)(de)未來很可能(neng)牢牢植根于(yu)納(na)(na)米技(ji)術(shu)。 Phillips (2021) 表明，在其他例(li)子中(zhong)(zhong)，壓電(dian)(dian)納(na)(na)米發電(dian)(dian)機中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)納(na)(na)米線和(he)熱(re)電(dian)(dian)發電(dian)(dian)機中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)量子點可以完全取代(dai)物聯網和(he) IoNT 端點電(dian)(dian)池，從(cong)而在環保和(he)經濟上可行(xing)的(de)(de)(de)同(tong)時實現該技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)大量采用。
