疯狂迷你的下一代计算机(2015)

研究论文和科幻小说中长期宣称的“智能尘埃”现在成了现实。别打喷嚏就行了。

当普拉巴·杜塔(Prabal Duta)不小心掉下一台电脑时，什么都不会坏。没有撞车事件。你可能听到的唯一声音是长时间的呻吟。这是因为这些计算机只有一立方毫米大小，一旦它们掉到地板上，它们就不见了。“我们只是失去了他们，”杜塔说。“这比珠宝还糟糕。”为了阐明这一点，密歇根大学电气工程助理教授杜塔通过电子邮件给我发了一张50台这样的电脑的照片。他们几乎没有把顶针填到边缘的一半。

顶针里的东西是十年来微机电系统(MEMS)研究的顶峰，微机电系统是一种非常微小的计算机技术。MEMS也被称为“智能尘埃”，而杜塔的尘埃是人类已知的最小的尘埃。杜塔是密歇根大学密歇根微型尘埃(M3)项目的一部分，M3即将公布杜塔所称的“尘埃”的蓝图。杜塔说，一旦这些微尘获得大学许可办公室的批准-现在随时都可能发生-M3就会在他们的mbus.io网站上发布蓝图，这样灵巧的研究人员、黑客和制造商博览会爱好者就可以开始建造它们了。经过多年的试错，科学界人士早就预言的智能尘埃终于问世了。

为了全面测试尘埃在现实世界中的极限，M3团队决定他们将定义尘埃的整体架构，但将最后一点组件(如相机和太阳能电池)委托给MEMS爱好者。“他们可以用它来建造疯狂的东西，”杜塔说。

什么样的东西？有一些明显的军事用途，比如监视，但这些微小的微尘足够小，可以真正进入你的大脑，比如说，在肿瘤长得太大而不能手术之前检查出来，或者可能在头部受伤后评估大脑创伤的程度。在更广泛的范围内，人们可以部署智能尘埃飞入沙尘暴或野火中，并报告情况。或者，科学家可以用它来评估煤矿深处或火星上的毒性水平。

杜塔自己的目标显然更脚踏实地。对他来说，真正的回报可能意味着使用微尘来衡量日常数据，以努力解决关键的可持续性问题。杜塔认为，M3尘埃和它的同类有可能决定你房子的实际能源成本：例如，他们可能会准确地确定你的淋浴喷头出了多少水。换句话说，这些尘埃有能力向我们展示能源消耗的真实成本，在加利福尼亚州正面临其历史上最严重的干旱之一的时代，智能尘埃可能会帮助我们从自己身上解脱出来。

自1997年加州大学伯克利分校(UC Berkeley)教授克里斯托弗·皮斯特(Kristofer Pister)创造了“智能尘埃”这一概念以来，制造世界上最小电脑的竞赛就一直在进行中。当时，苹果电脑的大小只有大狗的大小，智能尘埃则是粉丝小说中的东西。皮斯特展望了未来，针头大小的计算机将像神经云一样覆盖地球，传递关于人类和环境的实时数据。每一粒“尘埃”都将作为一台独立的计算机发挥作用：一小束电力、传感器、计算和通信芯片，它们可以整合和传递有关环境的信息，执行基本的数据处理并相互通信，使用几乎为零的能源消耗。每台计算机的大小不会超过一立方毫米。

但是皮斯特聪明的尘埃幻觉从未实现。在2003年初离开学术界创立了一家名为Dust Networks的公司后，皮斯特被经营公司的机制搞砸了，不再全职扩展计算机。他的公司目前制造的最小尘埃大约是方糖的大小：适合于对公用事业进行诊断，不太适合探索大脑或任何其他需要非常小和不引人注目的存在的东西-这些品质对于与大肆宣传的物联网接轨至关重要。“也许我最重要的贡献就是想出了一个朗朗上口的名字，”皮斯特笑着说，但他很快补充说，Dust Networks相当成功。皮斯特说：“我们基本上进入了世界上每一家炼油厂，以及从沙特沙漠到北极圈的工业应用领域。”

MEMS的历史可以追溯到近半个世纪，可以追溯到越南战争。1967年，一项名为伊格鲁·怀特(Igloo White)的军事行动沿着胡志明小道空投了数千个伪装成植物的传感器，以监控卡车的移动，目的是揭示敌人的活动。最终，由于大量的错误警报，行动失败了。尽管如此，DARPA在1980年左右开始资助类似的分布式传感器网络。

到1999年7月，皮斯特已经开发出一种体积为100立方毫米的尘埃，它有一个工作的发射器。2001年，皮斯特的同事杰森·希尔(Jason Hill)创建了TinyOS操作系统，以兼容皮斯特的新一波微尘，将它们与被称为“云母”微尘的硬件结合起来。希尔还在2002年发明了“Spec”尘埃，它的两边各长2.5毫米，并配备了一台可以发射但不能接收信号的无线电。很快就有了火柴盒大小的Mica2 Motes，也是在伯克利设计的。

正是在这个时候，杜塔第一次偶然发现了MEMS技术。这位俄亥俄州立大学的毕业生在母校的礼堂里漫步时，看到一群学生在实验室里操作电路板。对杜塔来说，桌上摆放的尘埃就像是眼花缭乱。因此，杜塔决定攻读电气工程硕士学位，并全身心投入到MEMS中。

2010年，杜塔在密歇根大学工作，他的同事大卫·布劳(David Blaauw)和丹尼斯·西尔维斯特(Dennis Sylvester)在那里创造了一个1.5毫米的奇迹，名为“凤凰芯片”(Phoenix Chip)。太阳能传感器系统旨在测量青光眼患者的眼压。杜塔印象深刻。但他想推动对环境中的东西进行“标记”，特别是为了监测稀缺的自然资源。

因此，布劳、西尔维斯特和杜塔勾勒出了后来成为M3项目的计划。他们自上而下地工作，这意味着他们会在任何编码开始之前完全设计一个系统，他们建造的微尘只需几纳瓦的电力预算就可以运行。他们为RAM和热处理创造了新的电路结构，并创造了新的处理和编程方法，通过光学和使用闪光灯来完成。其结果是形成了一个无线微尘，由几个斑点状的模块组成，这些模块依靠通过光伏电池从热或光中收集的微量能量自主生存。

在如此低的能量下工作是朝着团队的智能灰尘愿景的一大飞跃。这些尘埃太小，不能充电，一旦展开--或者掉在地上--可能就无法找回了。所以尘埃需要有一个像样的能量寿命。

输入一种称为MBU的东西。作为M3微尘的芯片到芯片互连模块，MBUS实现了8纳米瓦的超低功耗待机模式，并将微尘的总体功耗降低了23%。

M3已经与多家公司就在可穿戴设备中加入智能灰尘进行了谈判，他们最近成立了一家名为CubeWorks的营利性公司。他们打算使用新的能源收集方法来改进现有的设备，比如Fitbit需要每六个月充电一次，而不是每隔几天充电一次。

对于皮斯特来说，尘埃网络成为了他最初想要构建的智能尘埃十年的分心之处。M3现在可能保持着记录，但皮斯特仍然觉得他在这场比赛中有自己的皮肤。“我想夺回那个斗篷，”他说。他对单芯片微尘的研究已经在进行中。它可以在科学界内提供一场生动的决斗场面，尽管规模很小。