長期以來，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 范式一直被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵動(dòng)力，有可能改變我們的生活方式。 然而，通過整合納米技術(shù)，它的影響有望進(jìn)一步增強(qiáng)。
物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的物理對象系統(tǒng)，其中嵌入了傳感器、天線、處理器、軟件和其他技術(shù)，以支持通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)交換。從藥丸到制導(dǎo)導(dǎo)彈，這些設(shè)備的應(yīng)用范圍非常廣泛，而且看起來還會(huì)不斷擴(kuò)大。預(yù)計(jì) 2025 年物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的數(shù)量將達(dá)到 750 億臺(tái)，生成的數(shù)據(jù)可能達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百 億GB。
促進(jìn)這種實(shí)質(zhì)性預(yù)測的是使能技術(shù)（包括云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析）和各種通信模式（稱為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）的發(fā)展。這些協(xié)議支持端點(diǎn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，例如傳感器和連接環(huán)境中的下一個(gè)硬件。它們包括用于短距離的藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee 和近場通信 (NFC)、用于長距離的低功耗廣域 (LPWA) 和 5G。
可以說，最引人入勝的發(fā)展之一在于納米技術(shù)的整合。這有望通過納米設(shè)備最大限度地?cái)U(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)概念，并產(chǎn)生全新的物聯(lián)網(wǎng)衍生產(chǎn)品，即納米物聯(lián)網(wǎng) (IoNT)。
納米器件
在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中采用納米材料可以利用其卓越的特性來增加設(shè)備的功能、能源效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)減小它們的尺寸。納米天線、納米處理器和納米電池都是目前正在使用或開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)納米設(shè)備的例子，但在物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)內(nèi)，納米設(shè)備最常用作納米傳感器。
納米傳感器
物聯(lián)網(wǎng)傳感器必須監(jiān)控傳感環(huán)境中的特定現(xiàn)象，為后續(xù)分析提供相關(guān)數(shù)據(jù)。納米傳感器使用范圍廣泛的納米材料來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，并且能夠進(jìn)行物理、化學(xué)和生物監(jiān)測。
例如，。 (2019) 開發(fā)了一種靈活的基于納米線的傳感器，用于實(shí)時(shí)氨 (NH3) 監(jiān)測。該傳感器開發(fā)用于手表型設(shè)備，與傳統(tǒng)的 NH3 傳感器相比，它顯示出更低的檢測限和更快的響應(yīng)時(shí)間，這主要是由于納米線具有極高的表面積與體積比。
極低的功耗（低至 3μW）和可擴(kuò)展的軟光刻制造技術(shù)進(jìn)一步支持納米材料如何切實(shí)增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器。
在用于連續(xù)血糖監(jiān)測和飲用水中的化學(xué)、微生物和其他分析物監(jiān)測的非侵入性生物傳感器中，已經(jīng)看到了類似的基于納米的優(yōu)勢。
納米天線
物聯(lián)網(wǎng)天線負(fù)責(zé)通過各種波類型接收、解碼和傳輸信息，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線通信。納米天線，通?；谑?，主要通過在太赫茲頻段輻射來實(shí)現(xiàn)這種功能。
可以預(yù)見，它們比傳統(tǒng)天線小得多，甚至可以通過使用碳納米管與納米傳感器進(jìn)行整合，碳納米管既可以感知也可以發(fā)出信號(hào)。
另一個(gè)特別令人興奮的基于納米的優(yōu)勢可能在于制造技術(shù)。 德雷塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種碳化鈦納米天線，可以通過簡單的一步過程直接噴涂到任何剛性或柔性物體上，無需增加任何重量或電路，使任何物體都能快速成為智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
納米處理器
IoT 處理器必須通過執(zhí)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算來處理從 IoT 端點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)。它們主要由硅制成，由數(shù)百萬（通常是數(shù)十億）晶體管組成，這些晶體管在模擬邏輯功能的門集合中充當(dāng)二進(jìn)制開關(guān)。
納米處理器仍然在實(shí)驗(yàn)室中，麻省理工學(xué)院的工程師團(tuán)隊(duì)僅在幾年前的 2019 年開發(fā)了第一個(gè)可編程碳納米管處理器。 僅由 14000 個(gè)晶體管組成，實(shí)現(xiàn)碳納米管在這種功能中更高的效率和速度可能仍然存在還要很多年。
納米電池
可以預(yù)見，智能設(shè)備的無線系統(tǒng)具有適合長壽命、高能量密度和可充電電池的顯著功率需求。鋰離子變體是目前最受歡迎的。
納米電池在電極或膜中使用納米材料來降低自放電率、增加能量密度并減少充電時(shí)間。
索利曼等人 (2021) 發(fā)現(xiàn)碳納米管、鈦酸鋰氧化物納米顆粒和鍺納米線都是已成功利用此效果的納米材料的例子。
納米物聯(lián)網(wǎng)
將所有或部分這些納米設(shè)備整合到現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)概念中被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生納米物聯(lián)網(wǎng)。盡管通常被描述為物聯(lián)網(wǎng)的納米級版本，但 IoNT 的含義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡單區(qū)分所暗示的范圍。
納米設(shè)備的優(yōu)勢，無論是納米傳感器靈敏度的提高還是納米電池能量密度的提高，都使物聯(lián)網(wǎng)范式的復(fù)雜程度達(dá)到了一個(gè)新的水平，并促進(jìn)了其在不斷增加的應(yīng)用中的適用性。
物聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)
隨著數(shù)十億傳感器收集空前數(shù)量的機(jī)密數(shù)據(jù)，隱私和安全問題是廣泛采用的關(guān)鍵障礙。在獲得對 IoT 和 IoNT 的必要信心之前，都需要適當(dāng)級別的加密、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議和身份驗(yàn)證。
如此大量的傳感器也引發(fā)了對電源的擔(dān)憂，尤其是考慮到當(dāng)前電池技術(shù)對鋰的依賴。
英國芯片制造商 Arm 強(qiáng)調(diào)了這個(gè)問題，指出要滿足預(yù)測的 IoT 和 IoNT 應(yīng)用的電池需求，需要將全球每年的鋰產(chǎn)量增加兩倍。
IoNT 和物聯(lián)網(wǎng)未來研究
為了解決 IoT 和 IoNT 面臨的剩余挑戰(zhàn)，大量的研究已經(jīng)在進(jìn)行中。從多層區(qū)塊鏈安全模型到基于石墨烯的開關(guān)波束納米天線，未來的研究有望多種多樣。
一個(gè)解決傳感器和納米傳感器電源問題的迷人領(lǐng)域可能已經(jīng)在能量收集中找到了解決方案，其中能量來自外部來源，然后轉(zhuǎn)換為有用的電能。
再一次，該解決方案的未來很可能牢牢植根于納米技術(shù)。 Phillips (2021) 表明，在其他例子中，壓電納米發(fā)電機(jī)中的納米線和熱電發(fā)電機(jī)中的量子點(diǎn)可以完全取代物聯(lián)網(wǎng)和 IoNT 端點(diǎn)電池，從而在環(huán)保和經(jīng)濟(jì)上可行的同時(shí)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的大量采用。
