Układy są wszędzie
Żyjemy w erze elektronicznej. Według International Data Corp. wzrost w zakresie inteligentnych urządzeń gospodarstwa domowego wynosi ponad 18% rocznie. Połykamy też np. tabletki zawierające bezprzewodowe czujniki, zbierające informacje z ciała służące potem do diagnostyki stanu zdrowia. Wkrótce, dzięki przezroczystym wyświetlaczom, okna lub lustra w naszych domach będą używane jako ekrany komputerów PC i monitory TV. Nawet na łodygach roślin kryją się już czujniki, reagujące na niedobór wody.
Różne formy urządzeń elektronicznych są tak rozpowszechnione, że nie sposób w krótkim artykule wymienić nie tylko wszystkich ich zastosowań, ale też całych dziedzin życia spenetrowanych przez układy.
Samochód jako urządzenie elektroniczne
Jednym z najbardziej dobitnych przykładów ekspansji elektroniki jest ewolucja współczesnych aut. Elektronika samochodowa jest podzielona na różne typy, takie jak: elektronika silnika, skrzyni biegów, podwozia, bezpieczeństwo aktywne, wspomaganie kierowcy, komfort pasażerów i systemy rozrywki. Według ABI Research w sektorze motoryzacyjnym rynek zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (Advanced Driver-Assistance Systems, ADAS) rośnie w tempie prawie 50% rocznie i może do 2026 r. osiągnąć wartość 132 mld dolarów.
Za pierwsze w dziejach motoryzacji elektroniczne urządzenie sterujące uchodzi system Motronic firmy Bosch, zastosowany w 1979 r. w samochodzie BMW 732i do sterowania dopływem powietrza i paliwa oraz zapłonem. Od tego czasu widzieliśmy pod maską i w kabinie kierowcy prawdziwą eksplozję elektroniki.
Spośród wielu urządzeń elektronicznych montowanych we współczesnych samochodach na szczególną uwagę zasługuje centralny moduł sterowania, określany czasami mianem komputera pokładowego. Wbrew temu, co się powszechnie uważa, jego rola nie ogranicza się tylko do pokazywania chwilowego zużycia paliwa w czasie jazdy lub zliczania przebytego dystansu.
Rosnąca liczba układów elektronicznych montowanych seryjnie w autach sprawia, że konieczne stają się systemy zarządzające wymianą informacji pomiędzy poszczególnymi modułami. Obecnie do tego celu wykorzystuje się różne typy magistral danych. Do przekazywania sygnałów szybkozmiennych, mających stałe czasowe rzędu kilku milisekund (np. przy sterowaniu silnikiem, skrzynią biegów, ABS, ESP) stosowane są magistrale CAN (Controller Area Network), wykonywane w wersji szybkiej (high speed CAN). Tzw. wolna sieć CAN (low speed CAN) obsługuje aplikacje mniej krytyczne pod względem czasowym (np. sterujące klimatyzacją, centralnym zamkiem, oświetleniem samochodu itp.). Magistrala światłowodowa MOST (Media Oriented System Transport) służy do wymiany informacji między systemami multimedialnymi auta, takimi jak radio, nawigacja satelitarna i telewizja samochodowa. Do komunikacji z czujnikami i urządzeniami wykonawczymi wykorzystuje się obecnie protokół LIN (Local Interconnect Network). Sieć FlexRay, odznaczająca się dużą szybkością transmisji, przepustowością i niezawodnością, zastępuje standardowe połączenia mechaniczne (np. linki, cięgna sztywne) przy elektronicznych systemach sterowania przepustnicy i układu kierowniczego.
Inwazja w medycynie
Elektronika medyczna to jedna z najintensywniej rozwijających się dziedzin naszej epoki. W szpitalach i placówkach medycznych elektroniczne jest już niemal wszystko - od termometru po historie chorób. Co więcej, chipy torują sobie drogę do wnętrza naszych organizmów i zamierzają pozostać tam na dobre.
W USA, w listopadzie ubiegłego roku, tamtejsza Agencja Żywności i Leków (Food and Drug Administration, FDA) podjęła historyczną decyzję o zatwierdzeniu do użytku tzw. cyfrowej pigułki - Abilify MyCite. Kontroluje ona czas podawania leków i śledzi, czy pacjenci w ogóle je przyjmują. Cyfrowa tabletka zbiera także inne dane medyczne, takie jak dawka podanego medykamentu, tętno pacjenta, informacje dotyczące snu czy poziomu aktywności fizycznej. Zebrane w ten sposób informacje pacjenci będą mogli dobrowolnie udostępnić lekarzowi, członkom rodziny lub opiekunom. W Abilify MyCite wbudowano mikroskopijny sensor wykonany z krzemu, miedzi i magnezu. Smart pill została zatwierdzona do stosowania w leczeniu zaburzeń psychicznych, takich jak schizofrenia czy choroba afektywna dwubiegunowa, w połączeniu z lekami przeciwdepresyjnymi.
Sensory zamieszczone w tabletce aktywują się, gdy wejdą w kontakt z kwasem żołądkowym. Za pośrednictwem naklejanej po lewej stronie klatki piersiowej "łatki" zaczynają przekazywać sygnał. "Łatka" łączy się z aplikacjami na smartfony za pomocą technologii Bluetooth, przekazując zebrane przez pigułkę informacje.
Decyzja FDA wywołała spore kontrowersje. Komentatorzy zastanawiają się, co taka pigułka oznacza dla prywatności pacjentów. Istnieje wiele możliwości potencjalnych nadużyć. Pierwsze, co przychodzi na myśl, to sankcje dla osób nieprzyjmujących leków. Istnieją również obawy, że firmy ubezpieczeniowe lub władze nakażą korzystanie z tego typu tabletek, osłabiając zdolność pacjenta do podejmowania własnych decyzji medycznych i ograniczając zaufanie do instytucji publicznych. Wreszcie - powszechne stosowanie takiej technologii może sprawić, że wrażliwe informacje medyczne pacjentów staną się bardziej podatne na ataki hakerskie. Pojawiają się również pytania natury etycznej oraz te dotyczące praw obywatelskich, a także wątpliwości, czy śledzenie połknięcia tabletki w ogóle leży w interesie chorych.
W kolejce do zatwierdzenia przez FDA czekają już inne "cyfrowe pigułki". Choćby opracowany w słynnym Massachusetts Institute of Technology (MIT) sensor funkcji życiowych, mający pomóc lekarzom diagnozować choroby dużo szybciej i w łatwiejszy sposób niż dotąd. Monitorowanie zdrowia z wnętrza ciała może otworzyć zupełnie nowe drogi w diagnostyce, znacznie zmniejszyć śmiertelność pacjentów i ograniczyć koszty leczenia. Jednak może też posłużyć jako narzędzie do inwigilacji.
Tymczasem uczeni pracują nad kolejnymi elektronicznymi formami wspomagania naszego zdrowia. Opracowane np. niedawno na MIT czujniki o bardzo niskiej mocy, przeznaczone do połykania, z genetycznie zmodyfikowanymi bakteriami na pokładzie, są w stanie wykryć krwawienie z przewodu pokarmowego lub inne problemy żołądkowo-jelitowe i przekazywać te informacje do obwodu elektronicznego. W artykule, który ukazał się w maju 2018 r. w internetowym wydaniu magazynu "Science", naukowcy z MIT opisują urządzenie, które reaguje na hem, inaczej - żelazoporfirynę, czyli enzym obecny we krwi. Gdy bakterie, a dokładnie szczep E. coli, napotkają hem, wówczas emitują światło. Fototranzystory w czujniku mierzą ilość tego światła i przekazują informacje do mikroprocesora, wysyłającego sygnał bezprzewodowy do pobliskiego komputera lub smartfonu. Naukowcy przygotowali również aplikację mobilną, która może być używana do analizy danych.
Domy, ubrania, sprzęt wędkarski
Zgodnie z koncepcją Internetu Rzeczy nasze otoczenie codziennie ma stawać się coraz bardziej inteligentne. Ma być pełne wbudowanych dookoła chipów RFID i innych czujników kontrolujących temperaturę, ruch, drgania, wilgotność, hałas itd.
W systemach tego typu główny administrator - np. terminal, program komputerowy, aplikacja smartfonowa lub też odrębne urządzenie - łączy się z siecią za pomocą np. Wi-Fi. Poprzez fale radiowe łączy się również z czujnikami rozmieszczonymi w obiekcie, w domu czy w określonym pomieszczeniu. Urządzenie przez Internet działa w tzw. chmurze, przekazując informacje zbierane ze swoich czujników do wszelkich zsynchronizowanych w tym systemie urządzeń komunikacyjnych.
Na polu, w ogrodzie, sadzie… również pełno czujników. Naukowcy z uniwersytetów - libańskiego Saint Joseph i Zachodniej Bretanii we francuskim Breście - opracowali laserową technikę badania owoców, która pomoże dokładnie określić moment osiągnięcia przez nie dojrzałości i pozwoli plantatorom wybrać optymalny moment zbiorów. Czujniki zastosowane przez badaczy rzucają spolaryzowana wiązkę laserową na powierzchnię owocu. W zależności od poziomu etylenu powstaje łaciaty wzór, który sygnalizuje poziom dojrzewania. Jeśli kamera rozpozna ten właściwy, to oznacza, że właśnie nadszedł optymalny moment - owoc jest gotowy do zabrania z drzewa czy krzaka. Uczeni mają nadzieję na skonstruowanie wygodnych w użyciu przenośnych urządzeń skanujących owoce.
Jedną z najbardziej niezwykłych dziedzin ekspansji elektroniki są ubrania. Od kilku lat regularnie słyszymy o projektach przetykanych elektroniką tkanin. W 2014 r. zespół inżynierów z politechniki w Hongkongu stworzył tkaninę dzianą przewodami, którą można nosić, a nawet prać. Tkanina ta może kiedyś pomieścić różne urządzenia do monitorowania biometrycznego, a badacze piszą, że wydaje się być szczególnie przydatna dla organów ścigania lub personelu wojskowego. Od tego czasu nowości w tej dziedzinie nie brakuje.
Aby dobitnie uzmysłowić wszystkim, jak wszechobecna jest elektronika, powiedzmy o jeszcze jednej dziedzinie, w której jej pojawianie się może być dla wielu zaskakujące. Mowa o wędkarstwie, które z elektroniką zwykłemu człowiekowi zgoła się nie kojarzy. Spójrzmy np. na urządzenie śledzące AMGLR firmy Angler Labs, które mocuje się do wędki, aby analizowało liczbę wykonanych rzutów, wzorce obracania kołowrotka, siłę oporu biorącej ryby i wiele innych danych. Wszystko to jest sprzęgnięte z aplikacją mobilną. Również amatorzy wędkarstwa podlodowego mogą teraz obserwować, co się dzieje poniżej tafli zamarzniętej wody i przede wszystkim, czy są tam ryby, a dokonują tego za pomocą specjalnych kamer, takich jak Marcum Recon. Rynek oferuje także wszelkiego rodzaju czujniki temperatury i głębokości wody, a także sonary do wykrywania ryb. Wędkarze mają do dyspozycji mocowane na wędkach elektroniczne świetlne sygnalizatory brania, a zamiast zwykłych błysków i przynęt - LED-owe wabiki. Ryba, mówiąc krótko, nie ma żadnych szans.
Ciąg dalszy Tematu numeru w najnowszym wydaniu miesięcznika "Młody Technik".
