Sensorer i kroppen blir en del av fremtidens internett

Nå kommer sensorer som overvåker miljøet, måler blodsukkeret under huden og sjekker om senile faller. Sensorene skal kobles til fremtidens internett. Mulighetene er enorme.

UANTE MULIGHETER: Philipp Häfliger (t.h.) og Tor Sverre Lande har utviklet et lite apparat som ved hjelp av trådløs energi måler blodsukkeret under huden. Når sensorer kobles til internett, kan forskere følge alle diabetespasientene i Oslo samtidig og se på sammenhengen mellom insulinnivå og fysisk bevegelse. Samfunnet kan også bruke sensornett til å automatisere eldrepass og overvåke radioaktive katastrofer. Foto: Yngve Vogt

Det moderne mennesket omgir seg med en mengde sensorer. Dagens sensorer er svært enkle og er laget for helt spesielle anvendelser, slik som måling av temperatur, balanse, røykutvikling og trykket i bildekk. Felles for alle sensorene er at de er i et lukket system.

Nå utvikler forskere ved Institutt for informatikk fremtidens sensorer. Størrelsen blir mindre. De blir mer robuste enn dagens sensorer, skal kommunisere trådløst og attpåtil bruke minimalt med energi. Men det aller viktigste: Forskerne skal koble alle sensorene til fremtidens internett.

– Vi utvikler et helt nytt paradigme i informatikken, der vi ser på hvordan vi effektivt kan utnytte sensorer i nett. Dataprogram skal lete etter egnete sensorer og bruke dem uten at programmet på forhånd vet hvilke sensorer som finnes. Programmet skal også fungere helt uavhengig av tilgjengelige nettverk, forteller professor Thomas Plagemann ved Institutt for informatikk på Universitetet i Oslo.

Han er leder for den nye satsingen SET (Smart Environment Technology). Det er et tverrfaglig samarbeid mellom de faglige ytterpunktene i informatikkfaget, som nanoelektronikk, digital signalbehandling og distribuerte multimediesystemer.

For å komme i mål må forskerne se på alt fra trådløs nettverksteknologi, slik som radiobølger, ultralyd og infrarøde signaler, til signalbehandling, mellomvare, optimal dataoppsamling i databaser og sikkerhet. De må også definere formelle begreper og nye metoder og standarder.

Ved å koble sensorene til internett kan datamaskinen styre all informasjonen fra sensorene og finne den optimale måten å bruke sensorene på.

– Den nye teknologien gir uante muligheter. Eksempler er overvåking av havstrømmer, global oppvarming, forurensning, energiforbruk, trafikk, pollenspredning, dyrevandringer med mer. Fremtidens sensornett er også velegnet i pasientomsorg.

Diabetessensor under huden

I samarbeid med Rikshospitalet, Høgskolen i Vestfold og Bergensfirmaet LifeCare er informatikerne allerede i gang med å utvikle en helt ny type sensor som kan måle sukkernivået under huden.

– Nanoinstrumentet er bare tre ganger sju millimeter langt og er derfor så lite at det kan sprøytes inn under huden. Da slipper man operasjon. En nanohinne beveger seg når sukkerkonsentrasjonen er ujevn, forteller førsteamanuensis Philipp Häfliger ved Institutt for informatikk.

Trådløs energi

Det er vanskelig å lage en sensor som skal fungere over lang tid i kroppen. Alle sensorer trenger energi.

– Et batteri tar altfor mye plass. Dessuten ønsker vi ikke å skifte et batteri for ofte i kroppen. Aller helst vil vi unngå batteri. Det kan lekke kjemikaler, sier Tor Sverre Lande .

Informatikerne har derfor utviklet trådløs overføring av energi mellom sukkermåleren og et armbånd med batteri.

Slik trådløs overføring av energi er ikke mer avansert enn i en vanlig krafttransformator som konverterer mellom høyspent strøm og vanlig spenning. Når spenningen endres, skjer det via et magnetisk felt mellom to spoler.

Det er nøyaktig det samme som skal skje hos diabetespasientene.

– Vi har spoler både innenfor og utenfor huden. Så overføres energien med elektromagnetiske bølger.

Under trådløs overføring av energi forsvinner mesteparten av energien. Bare to prosent av energien blir fanget opp av spolen under huden. Forklaringen er at antennen i nanoinstrumentet er svært liten.

– Det er derfor viktig å utvikle en sukkermåler som bruker minst mulig energi, forteller professor Tor Sverre Lande.

Lande er ekspert på sensorer og nettverk og har tidligere utviklet et kunstig øre, det landskjente cochlea-implantatet, som gir døve hørselen tilbake.

NYTT PARADIGME: - Sensornett er et helt nytt paradigme i informatikken, forteller professor Thomas Plagemann. Foto: Yngve Vogt

Internett i kroppen

Informatikerne ønsker også å koble sukkermåleren i kroppen til fremtidens internett. Ved å kombinere ulike teknologier og måle insulinnivået og hvor mye diabetespasientene beveger seg, kan forskere undersøke sammenhengen mellom insulinnivå og fysisk bevegelse.

Det er lett å måle pasientbevegelser med moderne mobilteletoner, ettersom de har et innebygd akselerometer.

– Ved å samle inn data fra alle diabetespasienter i Oslo, kan man få et detaljert bilde av hvor mange diabetespasienter som mosjonerer. Da kan diabetesbehandlingen bli bedre. Vi ønsker også at sensoren i kroppen og mobiltelefonen snakker sammen. Da kan mobiltelefonen ringe når insulinnivået er for lavt, eller si: “Gå deg en tur”, håper Plagemann.

Automatisk eldrepass

Også eldre og demente kan ha glede av sensorer i nettverk. Forskergruppen på informatikk undersøker nå hvordan sensorer kan brukes i automatisk hjemmehjelpovervåking. Systemet skal blant annet slå alarm om noen faller om på gulvet, eller om en dement rømmer leiligheten eller glemmer å slå av komfyren.

– Med et slikt system kan flere eldre bo hjemme. Det øker trivselen, mener Thomas Plagemann.

Ulike sensorer kan måle om en person ligger på gulvet. Noen eldre får kameraovervåking. Andre har en akseleratormåler i telefonen som måler om pasienten beveger seg.

– Utfordringen vår er de mange ulike typene sensorer. Dessuten er dekningsområdet til sensorene avhengig av romløsningen.

Beskriver feil oppførsel

Forskergruppen til Plagemann lager nå en høynivåbeskrivelse av feil oppførsel.

– Programvaresystemet skal automatisk lete etter sensorer som tilbyr egenskapen “Person faller”.

Systemet må integrere mange ulike teknologier, ettersom det ikke er sikkert at alle sensorer i leiligheten observerer riktig. En kamerasensor kan slå falsk alarm om den registrerer en person som ligger og soler seg utenfor vinduet.

Hvis en bevegelsessensor melder ifra at en person har falt, kan det også tenkes at personen bare har svingt ekstra mye med armene. Det er heller ikke sikkert at en dement person har rømt. Kanskje han bare er ute hos venner. Det er derfor mange potensielle feilkilder.

Systemet skal derfor, helt automatisk, finne frem til alle sensorene i leiligheten, slå sammen informasjonen og finne et sannsynlig bilde av hva som har skjedd.

– Fremtidens internett er en viktig del av det hele.

Dessuten er det viktig med rask tolkning av dataene.

– Det hjelper ikke om alarmen går et kvarter etter hjertestans.

Sjekker radioaktiv katastrofe

Når sensorer er koblet til nett, kan de også brukes til overvåking av forurensete områder. Bakkemannskap måtte rykke inn og måle radioaktiviteten da verden våknet til tidenes atomkatastrofe i Tsjernobyl i 1986.

I den neste atomkatastrofen kan sensorer slippes ut fra fly for å sjekke radioaktiviteten i det forurensete området.

– Ved å la sensorene snakke sammen, kan man sanke inn informasjon fra det adioaktive området ved å koble seg på en ytterste sensoren. Da slipper man å sende mennesker inn i det radioaktive området, forteller Tor Sverre Lande.

Den store begrensningen i sensorer er energitilførselen.

Sensorer i naturen bør fungere lenge uten at batteriet må skiftes. Dessuten er det viktig at sensorene kan snakke sammen og videreformidle informasjon når det ikke er nettverkstilkobling i området. For å overføre signaler mellom sensorene, må ikke avstanden være for stor.

Forklaringen er enkel:

– Energien som brukes for å sende signaler over en dobbelt så lang avstand, koster i energi kvadratet av avstanden.

Det betyr: Hvis det koster ti energienheter å sende signaler ti meter, vil det koste 100 energienheter å sende signalene 20 meter.

– Det er derfor bedre med mange korte distanser enn en lang distanse mellom sensorene.

Hvis man skal ha en database i sensoren, er det viktig at man kan bruke den med minst mulig energiforbruk. Når databasen skal designes, er det derfor nødvendig med en detaljforståelse av sensoren.

Informatikere er ryddige mennesker. De pleier å dele opp alt i mange lag, slik som å legge hardwaren nederst. Deretter kommer nettverk og kommunikasjon. Og på toppen legger de databaser og programvare. En slik inndeling krever intern kommunikasjon mellom de enkelte lagene. Det krever ekstra ytelse og energi.

– For at sensorene skal bruke minst mulig energi i kommunikasjonen mellom database og hardware, har det vært nødvendig å bryte opp dette mønsteret, forteller Thomas Plagemann.

Båren datafrakt

Sensornett kan også brukes i overvåking av global oppvarming i polare områder eller i områder med stor skredfare.

Typisk nok er mobildekningen dårlig i disse områdene. Sensorene kan snakke sammen og sende informasjonen med tilfeldig forbipasserende, som tar informasjonen med seg på mobiltelefonen. Så kan informasjonen sendes videre der det er dekning.

Værvarsel med biler

Moderne biler er tettpakket med sensorer. Informatikerne ønsker å koble disse sensorene til fremtidens internett.

Eksempel på en samfunnsmessig spennende sensor er regnsensoren i nyere biler.

– I fremtiden kan regnsensorene snakke sammen. Da kan meteorologene bruke informasjonen fra disse sensorene til å oppdatere værkartet. I stedet for at hver bil sender av gårde data til en felles værdatabase, vil det kanskje være praktisk om systemet samler opp informasjon fra fem-seks biler i slengen.

NSB kan også ha stor nytte av sensornettverk. NSB kan bruke sensornettverk til å advare mot ras, ved å legge ut sensorer med radarer langs skinnegangen. Systemet kan også varsle når snøen må måkes.

Intelligent betong

– Bare fantasien setter grenser for hva et sensornett kan brukes til, sier Plagemann.

Sensorer kan også legges inn i betongmassen i nye bygninger. Da kan sensorene gi informasjon om bygningene er skadet etter et jordskjelv.

Støykart

Ved å analysere bakgrunnsstøyen i alle telefonsamtaler, er det mulig å lage et støykart i Oslo.

– Man kan også bruke sensornett til å studere om det er sammenheng mellom antall personer og høy luftfuktighet i en bygning.

Avansert styring

Professor Oddvar Søråsen , leder av nanoelektronikkgruppen på Institutt for informatikk, er interessert i hvordan datamaskintolkninger av sensorer kan styre aktuatorer.

I motsetning til en sensor, som bare observerer, påvirker en aktuator omgivelsene sine. Aktuatorer er små brytere, ventiler eller roboter som kan utføre enkle oppgaver, slik som styring av nerver og styring av væskestrømmen i en liten brikke. Aktuatorer kan også brukes til intelligent luftregulering, automatisk kontroll av husdyr i paringstiden, og smart behandling av kloakk og avløpsvann ved styrtregn og plutselige oversvømmelser.

For å lage aktuatorer, ønsker forskerne å kombinere mikromekanikk og mikroelektronikk. Dette er et nytt fagfelt.

– I dag lages mikromekanikken og mikroelektronikken på to forskjellige brikker. Hvis man kan lage alt på en og samme brikke, sparer man kommunikasjonen mellom to brikker. Da blir strømbehovet mindre.

Når forskerne skal designe nanomønsteret på en silikonbrikke, kan de fristille deler av brikken til mekanisk bevegelse.

Fremragende fremtid

Informatikerne håper nå at sensornettforskningen kan bli et Senter for fremragende forskning (Sff).

Sensornett

• I fremtidens nett er sensorer koblet til internett. Det kalles et sensornett.

• Sensorene skal også kunne kommunisere seg imellom.

• Et sensornett har uante muligheter og kan blant annet brukes til eldrepass, forskning på syke, betongsjekk, kartlegging av forurensete områder og trafikkovervåking. Bare fantasien setter begrensninger.

Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:41
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere