将纳米技术融入物联网

物联网（IoT）模式长期以来一直被认为是第四次工业革命的关键诱因，有可能改变我们的生活方式。然而，通过整合纳米技术，其影响有望进一步增强。

物联网是一个相互关联的物理对象系统，嵌入传感器、天线、处理器、软件和其他技术，以实现互联网上的相关数据交换。从药丸到导弹，这些设备的范围是巨大的，而且看起来会越来越大；对2025年物联网设备数量的预测峰值为750亿台，生成的数据量为数十甚至数百zettabytes。

推动这些实质性预测的是使能技术（包括云计算和大数据分析）和各种通信模式（称为物联网协议）的发展。这些协议支持端点设备（如传感器）与连接环境中的下一块硬件之间的数据交换。它们包括用于短距离的蓝牙、Wi-Fi、ZigBee和近场通信（NFC）、用于长距离的低功耗广域（LPWA）和5G。

可以说，最引人入胜的发展之一在于纳米技术的集成。这有望通过纳米设备将物联网概念最大限度地扩展，并产生一种全新的物联网衍生产品，即纳米物联网（IoNT）。

纳米器件

在物联网设备中采用纳米材料可以利用其独特的特性来提高设备的功能性、能效和准确性，同时减小其尺寸。纳米天线、纳米处理器和纳米电池都是目前正在使用或开发的物联网纳米设备的例子，但在物联网端点中，纳米设备已发现作为纳米传感器的用途最多。

纳米传感器

物联网传感器必须监测传感环境中的特定现象，为后续分析提供相关数据。纳米传感器使用范围广泛的纳米材料来实现这一点，并且能够进行物理、化学和生物监测。

例如，Tang等人（2019年）开发了一种用于实时氨（NH3）监测的柔性纳米线传感器。该传感器被开发用于手表型设备，与传统NH3传感器相比，其检测极限更低，响应时间更快，这主要是因为纳米线具有极高的表面积体积比。

极低的功耗（低至3μW）和可扩展的软光刻制造技术进一步支持纳米材料如何实际增强物联网传感器。

在用于连续血糖监测和饮用水中化学、微生物和其他分析物监测的非侵入性生物传感器方面也有类似的优势。

纳米天线

物联网天线通过各种波型接收、解码和发送信息，负责物联网设备的无线通信。通常基于石墨烯的纳米天线主要通过在太赫兹波段辐射来实现这一功能。

可以预见，它们比传统天线小得多，甚至可以通过使用碳纳米管与纳米传感器整合，碳纳米管可以感知和发送信号。

另一个特别令人兴奋的基于纳米的优势可能在于制造技术。德雷塞尔大学的研究人员已经开发出一种碳化钛纳米天线，它可以在不增加任何重量或电路的情况下，通过简单的一步过程直接喷射到任何物体上，无论是刚性还是柔性，使任何物体都能快速成为智能物联网设备。

纳米处理器

物联网处理器必须通过执行适当的计算来处理从物联网端点接收的数据。它们主要由硅制成，由数以百万计（通常是数十亿计）的晶体管组成，在模拟逻辑功能的门集合中充当二进制开关。

纳米处理器仍停留在实验室中，麻省理工学院的一个工程师团队仅在几年前2019年开发了第一个可编程碳纳米管处理器。由14000个晶体管组成，实现碳纳米管在这种功能中的更高效率和速度可能还要多年。

纳米电池

可以预见的是，智能设备的无线系统具有适合长寿命、高能量密度和可充电电池的显著功率需求。锂离子变体目前最受欢迎。纳米电池在电极或膜中使用纳米材料来降低自放电速率、增加能量密度和缩短充电时间。

Soliman等人（2021年）发现，碳纳米管、钛酸锂氧化物纳米颗粒和锗纳米线都是成功利用纳米材料实现这一效果的例子。

纳米物联网

将所有或部分这些纳米设备纳入现有的物联网概念被认为是纳米物联网的兴起。虽然通常被描述为物联网的纳米级版本，但IoNT的含义远远超出了简单区分所暗示的范围。

纳米器件的优势，无论是增强了纳米传感器的灵敏度还是增加了纳米电池的能量密度，都使物联网模式的复杂性达到了一个新的水平，并促进了其在不断增加的应用中的适用性。

物联网和物联网挑战

数以十亿计的传感器收集了前所未有的机密数据，隐私和安全问题是广泛使用的关键障碍。在获得物联网和IoNT的必要信任之前，需要适当级别的加密、网络安全协议和认证。

如此大量的传感器也引起了电源问题，特别是考虑到当前电池技术对锂的依赖。

英国芯片制造商Arm强调了这一问题，称满足预计采用IoT和IoNT的电池需求需要将全球锂年产量提高三倍。

IoNT和物联网的未来研究

为了应对物联网和IoNT面临的剩余挑战，大量的研究已经在进行中。从多层区块链安全模型到基于石墨烯的开关波束纳米天线，未来的研究有望丰富多样。

解决传感器和纳米传感器电源问题的一个迷人领域可能已经在能量收集方面找到了解决方案，能量从外部来源获得，然后转化为有用的电能。

这一解决方案的未来很可能再次植根于纳米技术。Phillips（2021年）指出，除其他例子外，压电纳米发电机中的纳米线和热电发电机中的量子点可以完全取代IoT和IoNT端点电池，从而在环境友好和经济可行的情况下极大地吸收该技术。