Internet of Things

Esineiden internet räjäyttää datan määrän – Aallossa koetetaan auttaa

Ke, 01/10/2018 - 12:56 By Toimitus

Helposti valmistettavat orgaaniset ohutkalvot voivat säilöä tietoa yli kymmenen vuotta yhdellä muutaman voltin sähköimpulssilla.

Jos olet tuskastunut siihen, että kovalevysi tai kännykän muisti tuntuu olevan koko ajan täynnä, voit lohduttautua sillä, että et ole yksin. Lisäksi ongelma on varsin pieni verrattuna siihen, että lähitulevaisuudessa on edessä vieläkin suurempia ongelmia.

Kiitos vain, esineiden internet, eli Internet of Things – kuten kaikkia kuviteltavia laitteita netin kautta yhdistävää maailmaa kutsutaan.

Osa ongelmaa on se, että nykyinen komponentti- ja piirilevyteknologia ei kykene hallitsemaan esineiden internetin synnyttämiä datamassoja.

Jo yksi älykello, siivousrobotti tai itsestään ajava auto voi tuottaa gigatavuittain dataa päivässä, ja yhdessä lentokoneen siivessä voi olla yli 10 000 sensoria. Arvioiden mukaan esineiden internet käyttääkin vuonna 2020 yli 50 miljardia sensoria.

Jotta laitteisiin saadaan tarpeeksi laskentatehoa, nykyiset tietokoneiden piirilevyissä käytettävät transistorit pitäisi pystyä kutistamaan muutaman nanometrin kokoisiksi.

Siinäkin on ihan pieni ongelma: ne eivät toimisi silloin kunnolla.

Lisäksi ennenäkemättömän datamäärän käsittely ja tallennus vaativat valtavasti energiaa.

Aalto-yliopistossa työskentelevän akatemiatutkija Sayani Majumdarin vetämä tutkijaryhmä kehittää molemmat ongelmat ratkaisevaa teknologiaa: peruspalikoita neuromorfisten eli aivojen toimintaa jäljittelevien tietokoneiden komponentteihin.

Maailman suurimmat IT-yritykset ja EU investoivat neuromorfisten tietokoneiden tutkimukseen huomattavasti, mutta kukaan ei vielä ole pystynyt luomaan toimivaa nanokokoista laitteistoa, jota voisi myös valmistaa teollisesti.

“Neuromorfisten tietokoneiden vaatima teknologia kehittyy nyt nopeammin kuin niiden haastajat eli kvanttitietokoneet. Yliopistot ja yritykset etsivät kuumeisesti tapoja tehdä vaativaa laskentaa suoraan älypuhelinten, tablettien ja tietokoneiden laitteistolla – ilman ohjelmistoja. Jotta se onnistuisi, tarvitaan äärimmäisen energiatehokkaita, aivojen neuroverkkojen sähköistä tietojenkäsittelyä imitoivia komponentteja”, Majumdar sanoo.

Vähemmän raskasmetallisaastetta

Majumdarin ryhmä on onnistunut valmistamaan uudenlaisia ferrosähköisiä tunneliliitoksia eli muutaman nanometrin paksuisia, kahden elektrodin välissä olevia ohutkalvoja. Liitokset toimivat vain muutamien volttien jännitteellä, ja niitä voi yhdistää monenlaisiin elektrodimateriaaleihin, kuten kaikissa tietokoneissa yleisiin piisiruihin.

Liitoksiin voi myös tallentaa informaatiota yli kymmeneksi vuodeksi ilman lisävirtaa. Niitä voi valmistaa nopeasti suuria määriä normaalissa huoneenlämpötilassa, ilman tyhjiötä tai puhdastiloja. Perinteiset tunneliliitokset on tehty metallioksideista, ja niitä voi valmistaa vain 700 asteen lämpötilassa ja tyhjiössä.

”Meidän liitoksemme on tehty orgaanisista hiilivedyistä, joten ne vähentäisivät myös elektroniikkajätteen raskasmetallisaasteen määrää”, Majumdar huomauttaa.

Ferrosähköiset ohutkalvokomponentit ovat ihanteellisia neuromorfisiin tietokoneisiin, koska ne vaihtavat tilaa ei vain binaarisesti nollan ja ykkösen, vaan myös monien muiden tilojen välillä. Siten ne voivat ikään kuin muistaa niihin syötettyä informaatiota samaan tapaan kuin aivot. Komponentit tarvitsevat vain minimaalisen määrän energiaa säilyttääkseen kerran saamansa informaation – vaikka niistä kytkisi virran pois ja käynnistäisi uudestaan.

Kyse ei ole enää edes transistoreista vaan muistavista ”memristoreista”. Esimerkiksi Marsia seuraavan kerran vuonna 2020 tutkimaan lähetettävä Rover-robotti tarvitsee keinotekoisia aivoja muistuttavan laitteiston, jotta se voisi analysoida keräämäänsä dataa vain yksi aurinkokenno energianlähteenään.

”Yritämme seuraavaksi yhdistää miljoonia tunneliliitoksiamme käyttäviä memristoreita neliösenttimetrin kokoiseksi verkostoksi. Ne voisivat suorittaa kompleksisia tehtäviä, kuten kuvan- ja hahmontunnistusta ja tehdä analysoimansa datan pohjalta itse päätöksiä”, Majumdar kertoo.

*

Juttu on Aalto-yliopiston tiedote lievästi editoituna.

Nokkelammat lasit

Ti, 02/24/2015 - 10:24 By Toimitus

Helsingin yliopiston ja Työterveyslaitoksen hankkeessa kehitetään päälle puettavaa järjestelmää, joka seuraa tarkasti käyttäjänsä katseen kohdistumista. Erityisesti tätä Nokkelammat lasit -nimen saanutta järjestelmää aiotaan hyödyntää esineiden internet -sovellusten tutkimuksessa, jotta saadaan parempaa tietoa siitä, miten ihminen toimii vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Tarkoituksena on, että kehitettävät lasit pystyvät myös seuraamaan käyttäjänsä tilaa, kuten aktiviteettia, väsymystä tai valppautta.

“Esineiden internetistä odotetaan internet-kehityksen seuraavaa aaltoa”, arvelee teemajohtaja Kai Puolamäki Työterveyslaitoksesta.

“Ihmisen toiminnan seuraaminen esineiden internetin (The Internet of Things, IoT) muodostamassa uudessa toimintaympäristössä tulee luomaan arvokasta tietoa siitä, miten vuorovaikutus ihmisen ja teknisen ympäristön välillä tulisi suunnitella ja toteuttaa”.

Hankkeessa kehitetyn ratkaisun avulla esineiden internetissä olevat älykkäät esineet tai laitteet saadaan reagoimaan katseeseen. Esimerkiksi kahvinkeitin voi mennä päälle, kun katse suunnataan siihen. Nokkelammat lasit seuraavat esimerkiksi käyttäjän aikomuksia, kognitiivista tilaa, aktiviteettia ja tarkkaavaisuuden suuntaamista ja välittävät keräämänsä tiedon esineiden internetissä oleville älykkäille laitteille. Tätä tietoa voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi työturvallisuuden parantamisessa, työn tutkimuksessa tai tutkittaessa laitteiden käyttäjäkokemuksen parantamista.

“Tarkoituksenamme on tutkia käyttäjän näkökulmasta millaista esineiden internetin käyttäminen on”, kertoo dosentti Jukka Häkkinen Helsingin yliopistosta. “Se on tärkeätä, sillä esineiden internetissä esineet viestivät paitsi keskenään myös käyttäjälle”.

Katseenseurantalaitteita voidaan hyödyntää esimerkiksi laitteiden ohjailussa

Nykyisin monet laitteet, kuten autot tai televisiot voivat olla yhteydessä verkkoon. Tulevaisuudessa IoT yleistyy niin, että arkisetkin esineet ovat verkossa. Jos kaikilla esineillä on internet-osoite ja sensoreita, ne voivat lähettää käyttäjälle valtavat määrät tietoa. Esimerkiksi kahvinkeittotilanteessa kahvinkeitin voi kertoa, että sähkö on juuri nyt kallista. Kahvipurkki kertoa, että kahvi on lopussa. Astiakaappi kertoa, että puhtaita kahvikuppeja ei ole, ja jääkaappi viestittää, että maito on mennyt vanhaksi.

Häkkisen mukaan kriittinen kysymys on ajankohta, eli milloin tieto voidaan antaa käyttäjälle, jotta aivot eivät ylikuormitu ja tieto ei häiritse toimintaa. Jos henkilö saa tehtävän aikana lisätietoa, opittu rutiini katkeaa ja henkilön täytyy pohtia tiedon merkitystä tehtävässä. Tämä kuormittaa käyttäjää. Kuormituksen minimoimiseksi täytyy tiedon antamisajankohta asettaa tarkasti.

“Katseenseurantalaite on uutta teknologiaa, se voidaan pukea päälle kuten silmälasit, ja käyttäjä voi toimia arkipäiväisessä ympäristössä”, Häkkinen toteaa.

“Tutkimme laitteella milloin tieto täytyy antaa ja missä muodossa, jotta käyttäjä pystyy toimimaan luontevasti esineiden internetissä. Eli jos keität kahvia, tiedämme silmänliikkeiden avulla tarkasti, missä kohdassa toimintaa olet ja milloin sinulle kannattaa kertoa, että poimi kahvimuki tiskikoneesta äläkä keittiön kaapista. Laitteessa olevien sensorien avulla voimme myös tarkkailla henkilön tilaa antamalla stressaantuneella tai ylikuormittuneelle henkilölle vähemmän tietoa.”

Psykologian alalla ei ole aikaisempaa tutkimusta käyttäjän toiminnan ja silmänliikkeiden perusteella saadun palautteen synkronoinnista.

“Ihmisen visuaalisen huomion kohteen tunnistamista voidaan hyödyntää moniin tarkoituksiin esimerkiksi tutkimuksessa, opetuksessa tai laitteiden ohjaamisessa”, jatkaa tutkimusinsinööri Kristian Lukander Työterveyslaitoksesta. 

“Esimerkiksi liikenteen turvallisuustutkimuksessa voidaan tutkia autonkuljettajan ajon aikaista ympäristön havainnointia tai kuluttajatutkimuksessa sitä, mihin henkilö kohdistaa katseensa pakkauksessa. Laseja voitaisiin käyttää myös erilaisten laitteiden ohjailuun”.

“Hankkeen tuloksena syntyvät Nokkelammat lasit julkaistaan open source -periaatteella vapaasti kaikkien saataville”, toteaa tutkija Miika Toivanen Työterveyslaitoksesta. 

Työterveyslaitoksen Aivot ja työ -tutkimuskeskus on jo julkaissut aiemman tutkimusprojektin tuotoksena syntyneen ensimmäisen version katseenseurantalaseista.

Kaksivuotisen hankkeen Nokkelammat lasit toteuttavat Työterveyslaitoksen Aivot ja työ -tutkimuskeskus ja Helsingin yliopiston Visuaalisen kognition tutkimusryhmä. Hanketta rahoittaa Suomen Akatemia.

Juttu perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen.