將納米技術融入物聯網

物聯網（IoT）模式長期以來一直被認為是第四次工業革命的關鍵誘因，有可能改變我們的生活方式。然而，通過整合納米技術，其影響有望進一步增強。

物聯網是一個相互關聯的物理對象系統，嵌入傳感器、天線、處理器、軟件和其他技術，以實現互聯網上的相關數據交換。從藥丸到導彈，這些設備的范圍是巨大的，而且看起來會越來越大；對2025年物聯網設備數量的預測峰值為750億臺，生成的數據量為數十甚至數百zettabytes。

推動這些實質性預測的是使能技術（包括云計算和大數據分析）和各種通信模式（稱為物聯網協議）的發展。這些協議支持端點設備（如傳感器）與連接環境中的下一塊硬件之間的數據交換。它們包括用于短距離的藍牙、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，最引人入勝的發展之一在于納米技術的集成。這有望通過納米設備將物聯網概念最大限度地擴展，并產生一種全新的物聯網衍生產品，即納米物聯網（IoNT）。

納米器件

在物聯網設備中采用納米材料可以利用其獨特的特性來提高設備的功能性、能效和準確性，同時減小其尺寸。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的物聯網納米設備的例子，但在物聯網端點中，納米設備已發現作為納米傳感器的用途最多。

納米傳感器

物聯網傳感器必須監測傳感環境中的特定現象，為后續分析提供相關數據。納米傳感器使用范圍廣泛的納米材料來實現這一點，并且能夠進行物理、化學和生物監測。

例如，Tang等人（2019年）開發了一種用于實時氨（NH3）監測的柔性納米線傳感器。該傳感器被開發用于手表型設備，與傳統NH3傳感器相比，其檢測極限更低，響應時間更快，這主要是因為納米線具有極高的表面積體積比。

極低的功耗（低至3μW）和可擴展的軟光刻制造技術進一步支持納米材料如何實際增強物聯網傳感器。

在用于連續血糖監測和飲用水中化學、微生物和其他分析物監測的非侵入性生物傳感器方面也有類似的優勢。

納米天線

物聯網天線通過各種波型接收、解碼和發送信息，負責物聯網設備的無線通信。通?；谑┑募{米天線主要通過在太赫茲波段輻射來實現這一功能。

可以預見，它們比傳統天線小得多，甚至可以通過使用碳納米管與納米傳感器整合，碳納米管可以感知和發送信號。

另一個特別令人興奮的基于納米的優勢可能在于制造技術。德雷塞爾大學的研究人員已經開發出一種碳化鈦納米天線，它可以在不增加任何重量或電路的情況下，通過簡單的一步過程直接噴射到任何物體上，無論是剛性還是柔性，使任何物體都能快速成為智能物聯網設備。

納米處理器

物聯網處理器必須通過執行適當的計算來處理從物聯網端點接收的數據。它們主要由硅制成，由數以百萬計（通常是數十億計）的晶體管組成，在模擬邏輯功能的門集合中充當二進制開關。

納米處理器仍停留在實驗室中，麻省理工學院的一個工程師團隊僅在幾年前2019年開發了第一個可編程碳納米管處理器。由14000個晶體管組成，實現碳納米管在這種功能中的更高效率和速度可能還要多年。

納米電池

可以預見的是，智能設備的無線系統具有適合長壽命、高能量密度和可充電電池的顯著功率需求。鋰離子變體目前最受歡迎。納米電池在電極或膜中使用納米材料來降低自放電速率、增加能量密度和縮短充電時間。

Soliman等人（2021年）發現，碳納米管、鈦酸鋰氧化物納米顆粒和鍺納米線都是成功利用納米材料實現這一效果的例子。

納米物聯網

將所有或部分這些納米設備納入現有的物聯網概念被認為是納米物聯網的興起。雖然通常被描述為物聯網的納米級版本，但IoNT的含義遠遠超出了簡單區分所暗示的范圍。

納米器件的優勢，無論是增強了納米傳感器的靈敏度還是增加了納米電池的能量密度，都使物聯網模式的復雜性達到了一個新的水平，并促進了其在不斷增加的應用中的適用性。

物聯網和物聯網挑戰

數以十億計的傳感器收集了前所未有的機密數據，隱私和安全問題是廣泛使用的關鍵障礙。在獲得物聯網和IoNT的必要信任之前，需要適當級別的加密、網絡安全協議和認證。

如此大量的傳感器也引起了電源問題，特別是考慮到當前電池技術對鋰的依賴。

英國芯片制造商Arm強調了這一問題，稱滿足預計采用IoT和IoNT的電池需求需要將全球鋰年產量提高三倍。

IoNT和物聯網的未來研究

為了應對物聯網和IoNT面臨的剩余挑戰，大量的研究已經在進行中。從多層區塊鏈安全模型到基于石墨烯的開關波束納米天線，未來的研究有望豐富多樣。

解決傳感器和納米傳感器電源問題的一個迷人領域可能已經在能量收集方面找到了解決方案，能量從外部來源獲得，然后轉化為有用的電能。

這一解決方案的未來很可能再次植根于納米技術。Phillips（2021年）指出，除其他例子外，壓電納米發電機中的納米線和熱電發電機中的量子點可以完全取代IoT和IoNT端點電池，從而在環境友好和經濟可行的情況下極大地吸收該技術。