เครื่องกำเนิดนาโนสำหรับเมืองอัจฉริยะในยุค 5G และ Internet of Things
บริบทและขนาด
บริบทและขนาด
การนำ 5G ในเมืองอัจฉริยะในอนาคต จะทำให้ยุคดิจิทัลเต็มไปด้วยปุ่มเซ็นเซอร์ไร้สายอัจฉริยะเกิดขึ้นจริง
อย่างไรก็ตาม ผ่าน 5G และ Internet of Things (IoT) อุปกรณ์ตรวจจับอัจฉริยะจะได้สัมผัสกับการสื่อสารไร้สายที่ปลอดภัยและรวดเร็ว และข้อกำหนดสำหรับแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนและการตรวจจับเชิงรุกที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองจะยังคงเป็นความท้าทายที่เปิดกว้างในสาขานี้ นับตั้งแต่การค้นพบ
เครื่องกำเนิดนาโน (NGs) ได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถที่ยอดเยี่ยมในการจ่ายไฟให้กับโหนดเซ็นเซอร์ไร้สาย เนื่องจากมีการตรวจสอบการใช้งานอย่างเป็นระบบในระบบต่างๆ มากมาย เช่น การขนส่งอัจฉริยะ ยานพาหนะอัจฉริยะ การดูแลสุขภาพอัจฉริยะ อินเทอร์เฟซระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร แลอุปกรณ์รักษาความปลอดภัยNGs ที่มีโครงสร้างที่เรียบง่าย
ความยืดหยุ่นในการออกแบบ การผลิตที่ง่าย อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ยอดเยี่ยม และโหมดการทำงานที่แตกต่างกันพร้อมการนำไปใช้งานที่หลากหลาย ถือเป็นตัวเลือกในอุดมคติอย่างหนึ่ง ไม่เพียงแต่สำหรับการจ่ายไฟให้กับโหนดเซ็นเซอร์ไร้สายอย่างยั่งยืนเท่านั้น แต่ยังสำหรับการพัฒนาอีกด้วเซ็นเซอร์ที่ชาญฉลาดและขับเคลื่อนด้วยตัวเองความท้าทายระดับโลกที่สำคัญอีกประการหนึ่งในยุคดิจิทัลไลเซชั่นคือการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
การใช้เทคโนโลยี NG ในรูปแบบของแพลตฟอร์มเก็บเกี่ยวพลังงานขนาดยักษ์ โดยเฉพาะพลังงานสีน้ำเงินและพลังงานลม จะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ภาวะโลกร้อน และการลดการปล่อยคาร์บอนในเมืองอัจฉริยะในอนาคต คาดว่าเมืองอัจฉริยะในอนาคตที่ติดตั้ง NG จะช่วยรับมือกับ 3 เมกะเทรนด์ในอีก 30 ปีข้างหน้า รวมถึงการขยายตัวของเมืองผ่านอุปกรณ์อัจฉริยะเต็มรูปแบบ
ไบโออิเล็กทรอนิกส์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองสำหรับการดูแลสุขภาพเฉพาะบุคคล และการสำรวจแหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างเต็มรูปแบบสำหรับสภาพภูมิอากาการเปลี่ยนแปลงและการบรรเทาวิกฤติพลังงาน
สรุป
5G ขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงหลายปีที่ผ่านมา โดยนำคุณประโยชน์ที่สำคัญมาสู่อุปกรณ์อินเทอร์เน็ตในสรรพสิ่ง (IoT) และโหนดเซ็นเซอร์ไร้สาย
การเปิดตัวเทคโนโลยี 5G มอบโอกาสที่ดีเยี่ยมสำหรับการพัฒนาเมืองอัจฉริยะที่รวดเร็วยิ่งขึ้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้านาโน (NGs) ได้รับการพิสูจน์อย่างกว้างขวางว่าเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนและเซ็นเซอร์แบบแอคทีฟที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง
การวิจัยเกี่ยวกับ NGs ในช่วง 15 ปีที่ผ่านมาได้เปิดเผยว่าสามารถมีส่วนช่วยในการเปลี่ยนบริการในเมืองอัจฉริยะให้เป็นดิจิทัล เช่น การจัดหาพลังงานทดแทนในท้องถิ่น การขนส่งอัจฉริยะ ยานพาหนะอัจฉริยะ และแอปพลิเคชันการดูแลสุขภาพดิจิทัล การบูรณาการเทคโนโลยี NG ใหม่ในเมืองอัจฉริยะจะช่วยแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับแหล่งพลังงานที่ยั่งยืนสำหรับอุปกรณ์ IoT ที่กระจายอำนาจ และเป็นแนวทางในการตระหนักถึงระบบการตรวจจับแบบแอคทีฟที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง
ในการทบทวนนี้ เราจะนำเสนอการทบทวนการวิจัยในปัจจุบันอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับแอปพลิเคชันของ NG ในภาคส่วนต่างๆ ของเมืองอัจฉริยะ ที่สำคัญกว่านั้น เราจะแสดงให้เห็นว่า NG สามารถเป็นผู้เปลี่ยนเกมในการพัฒนาเมืองอัจฉริยะภายใต้บริการ 5G ได้อย่างไร และการใช้ NG จะช่วยเพิ่มความสะดวกสบายให้กับชาวเมืองได้อย่างไร เป้าหมายของเราคือการดึงความสนใจไปที่แอปพลิเคชัน NG มากขึ้นในการทำให้เมืองอัจฉริยะกลายเป็นดิจิทัล และให้แนวทางในการประยุกต์แนวคิดอัจฉริยะในการวางผังเมืองในอนาคต
การแนะนำ
การแนะนำ
สิ่งใหม่การขยายตัวของเมืองกำลังก้าวหน้าไปอย่างรวดเร็วทั่วโลก เนื่องจากประชากรมากกว่า 54% ของโลกได้ย้ายเข้าไปอยู่ในเมืองต่างๆ1 เครือข่ายเซลลูลาร์ 5G ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายในเมืองต่างๆ กำลังดำเนินการเพื่อเปลี่ยนแปลงชีวิตของเรา2 เนื่องมาจากเวลาแฝงที่ต่ำและเชื่อถือได้เป็นพิเศษ ความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลมหาศาล และความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษขอการเชื่อมต่อ (1 ล้านโหนดต่อ km2) ส่งเสริมการประยุกต์ใช้อุปกรณ์ Internet of Things (IoT) ที่แพร่หลายและเซ็นเซอร์ไร้สายอัจฉริยะอย่างมาก3
ในยุคของ IoT และ 5G เมืองอัจฉริยะที่จัดการกับความท้าทายของการมีประชากรมากเกินไปและการขยายตัวของเมืองด้วยการตรวจสอบและควบคุมเมืองแบบเรียลไทม์ จะเป็นมากกว่าคำศัพท์ง่ายๆ จนถึงขณะนี้
คาดการณ์ว่าจำนวนผู้ใช้สมาร์ทโฟนจะสูงถึง 5.9 พันล้านคนภายในปี 25684 และจำนวนอุปกรณ์บนอินเทอร์เน็ตจะเกิน 1 แสนล้านเครื่องภายในปี 25685 ดังนั้น เทคโนโลยี 5G จะให้โอกาสที่ยอดเยี่ยมและเป็นแรงผลักดันในการพัฒนาเทคโนโลยีอัจฉริยะ
เมืองต่างๆ การเปิดตัวบริการ 5G ช่วยให้บริการในเมืองกลายเป็นดิจิทัลและปรับปรุงความเป็นอยู่ที่ดีของประชาชน ซึ่งรวมถึงแหล่งจ่ายไฟหมุนเวียน โหนดเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อผ่านเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย (WSN) การขนส่งอัจฉริยะ และแอปพลิเคชันการดูแลสุขภาพดิจิทัล6 สำหรัตัวอย่างเช่น มีการประมาณการว่าเทคโนโลยีดิจิทัลที่ใช้ในเมืองอัจฉริยะจะปรับปรุงตัวชี้วัดคุณภาพชีวิตได้ 10%–30%
แม้ว่าจะมีการใช้งานที่น่าตื่นเต้นมากมายที่กล่าวมาข้างต้น แต่การทำให้เมืองอัจฉริยะเกิดขึ้นจริงนั้นถูกบดบังด้วยข้อจำกัดที่เป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญคือการจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์ IoT ที่กำลังเติบโตแบบกระจายอำนาจและเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์ ซึ่งอาจยากต่อการคงไว้ด้วยโครงข่ายไฟฟ้าแบบรวมศูนย์แบบฉุดลาก
ในขณะเดียวกัน แบตเตอรี่อาจไม่ใช่ทางออกที่ดีที่สุดสำหรับ IoT เนื่องจากอายุการใช้งาน ขนาด และปัญหาสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นมีจำกัด นอกจากนี้ การกระจายเซ็นเซอร์ในวงกว้างและค่าบำรุงรักษาที่สูงทำให้แบตเตอรี่เป็นโซลูชันที่ไม่เพียงพอ
โดยเฉพาะในพื้นที่ห่างไกลหรือไม่สามารถเข้าถึงได้ นอกจากนี้ แม้ว่าพลังงานที่จำเป็นสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละตัวจะมีน้อย แต่จำนวนเซ็นเซอร์ทั่วโลกที่แท้จริงจะอยู่ที่ประมาณพันล้านถึงล้านล้าน ดังนั้นแหล่งพลังงานสะอาดสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่จึงเป็นประเด็นสำคัญในการพัฒนาเมืองอัจฉริยะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับภัยคุกคามจากวิกฤตพลังงานและภาวะโลกร้อน8, 9, 10, 11, 12 นอกเหนือจากนั้นเพื่อรวบรวม-
ข้อมูลเวลาเกี่ยวกับโลกทางกายภาพ เช่น สภาพถนนสำหรัยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองและสถานะการรักษาพยาบาลเฉพาะบุคคลสำหรับแพทย์ เซ็นเซอร์แบบแอคทีฟที่มีความไวสูงและความสามารถในการติดตามที่แม่นยำมีความจำเป็นอย่างเร่งด่วน13
ปัญหาสำคัญเหล่านี้ที่เกี่ยวข้องกับเมืองอัจฉริยะได้กระตุ้นให้นักวิจัยพัฒนาแนวทางใหม่สำหรับการเก็บเกี่ยวและการตรวจจับพลังงาน14, 15, 16, 17, 18, 19 ซึ่ง NG ได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยม20, 21, 22, 23, 24, 25 , 26 ในด้านหนึ่ง การขับเคลื่อน IoT จะทำได้ยากหากไม่มการเก็บเกี่ยวพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อให้มั่นใจถึงการดำเนินงานในระยะยาวเนื่องจากความสามารถของ NG ในการดึงพลังงานจากทรัพยากรหมุนเวียนโดยรอบ27,28 เหมือนกับการสั่นสะเทือนทางกลเล็กน้อยที่อาจสูญเปล่า29
ไม่เพียงแต่สามารถจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ IoT แบบกระจายในเมืองอัจฉริยะเท่านั้น30,31 แต่ยังจัดหาแหล่งพลังงานสำหรับโครงข่ายไฟฟ้าบน ขนาดใหญ่32 ในทางกลับกัมันสามารถทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์แบบแอคทีฟตามแนวคิดของระบบการตรวจจับที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง23,33 คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของ NG โดยเฉพาะอย่างยิ่ง NG ไทรโบอิเล็กทริก (TENG) เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการเก็บพลังงานอื่น ๆ 34,35 คือความสามารถที่สูงของพลังงาน การเก็บเกี่ยวด้วยความถี่ต่ำ กิจกรรมประจำวันของเราส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระบบความถี่ต่ำ
เช่น ก้าวการเดินและความเร็วในการพิมพ์ นอกจากนี้ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติหลายประการยังเกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำ เช่น คลื่นในมหาสมุทร ดังนั้น NG จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการกำจัดพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ทางกลความถี่ต่ำ
กล่าวอีกนัยหนึ่ง เราอาจสรุปได้ว่า NG เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีพื้นฐานสำหรับการบรรลุเมืองอัจฉริยะในยุค 5G ที่กำลังจะมาถึง และการบูรณาการกับอุปกรณ์ IoT สามารถมีส่วนช่วยในการจัดการกับความท้าทายด้านพลังงานและการตรวจจับในปัจจุบันหลายประการในอนาคตอันใกล้นี้36
คุณสมบัติที่กล่าวมาข้างต้นทั้งหมดของ NG และการบูรณาการกับเมืองอัจฉริยะ ทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมในการช่วยลดภาวะโลกร้อนและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศในยุคของ IoT ซึ่งจะเน้นในงานนี้ ในการทบทวนนี้ ก่อนอื่นเราจะแสดงให้เห็นว่าการวิจัยในเมืองอัจฉริยะมีการพัฒนาอย่างไรในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาโดยพิจารณาจากแนวโน้มการตีพิมพ์ จากนั้น เราจะสำรวจว่า NG สามารถใช้ในภาคส่วนต่างๆ ของเมืองอัจฉริยะได้อย่างไร รวมถึง NGs เพียโซอิเล็กทริก (PENG)37, 38, 39, 40 และ TENG41 สำหรับแหล่งจ่ายไฟหมุนเวียน
มีการพูดคุยกันว่าพลังงานสีน้ำเงินจาก TENG มีประสิทธิภาพได้อย่างไร ขับเคลื่อนอุตสาหกรรมขนาดยักษ์และกระจายการตรวจจับคุณภาพน้ระบบและวิธีที่ TENG ที่ใช้ลมแสดงผลกระทบต่อบ้านอัจฉริยะและอุปกรณ์ IoT ที่แพร่หลายแหล่งจ่ายไฟหมุนเวียนทั้งสองนี้สามารถให้ประโยชน์ที่สำคัญมากมายในแง่ของการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ โดยทั่วไป
การเก็บเกี่ยวพลังงานจากคลื่นมหาสมุทรมีศักยภาพที่ดีในการบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและภาวะโลกร้อนโดยการชดเชยการปล่อยก๊าซเรือนกระจก มีการประมาณการว่าการปรับใช้พลังงานคลื่นทะเลสามารถส่งได้ถึง 1,943 TWh/ปี ภายในปี 2050.42 แนวคิดของพลังงานสีน้ำเงินซึ่งจะมีการทบทวนในบทความนี้ สามารถมีบทบาทสำคัญในการส่งมอบพลังงานไฟฟ้าโดยประมาณตามที่กล่าวไว้ข้างต้น
การเก็บเกี่ยวพลังงานจากลมเป็นอีกทางเลือกด้านพลังงานที่ยั่งยืนซึ่งได้รับการประเมินว่ามีความสามารถในการสนับสนุน 20% ของพลังงานโลกในปี 2593.43
ขอย้ำอีกครั้งว่า NG สามารถเป็นผู้เปลี่ยนเกมในแง่ของการส่งมอบเทคโนโลยีใหม่สำหรับการเก็บเกี่ยวพลังงานน้ำและพลังงานลมในอนาคต ฟาร์มจะเป็นำไปใช้ในเมืองอัจฉริยะในอนาคต
นอกจากนี้ ในภาคการขนส่งอัจฉริยะ เรายังหารือว่าเซ็นเซอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองที่ใช้ NG จะช่วยลดปัญหาการจราจรติดขัดและโอกาสเกิดอุบัติเหตุได้อย่างไร และวิธีใช้ NG เพื่อป้องกันการทำงานผิดปกติและลดเสียงรบกวนบนท้องถนน นอกจากนี้ สำหรับยานพาหนะอัจฉริยะ เรานำเสนอว่าทำไมเวลาในการเดินทางของผู้คนในเมืองจึงลดลงด้วยความช่วยเหลือของเทคโนโลยีการขับขี่อัตโนมัติที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งขับเคลื่อนโดยเทคโนโลยี NG ที่ติดตั้งในยานพาหนะ
ควรสังเกตว่าปัญหาการจราจรติดขัดและการลดเวลาในการเดินทางจะมีประสิทธิภาพอย่างมากในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก เนื่องจากการขนส่งเป็นหนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ44 นอกจากนี้ในทางปฏิบัตแง่มุมต่างๆ ของ NG ที่ใช้ในการโต้ตอบระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร
เราจะแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์อินพุตอัจฉริยะสามารถรับประกันความปลอดภัยทางไซเบอร์ได้อย่างไร ต่อมา ด้วยการสาธิตการใช้งานของ NG ในด้านการดูแลสุขภาพอัจฉริยะ เราได้เน้นย้ำถึงข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกเขาในการตรวจติดตามทางชีวภาพแบบเรียลไทม์
รวมถึงอัตราการเต้นของหัวใจของผู้ใช้ การหายใจ การเคลื่อนไหว การนอนหลับ ระบบประสาท และการทำงานของสมอง ในที่สุดเราจะนำเสนอบทสรุปของปัญหาในปัจจุบัน ความท้าทายในอนาคต และมุมมองของการพัฒนา NG สู่เมืองอัจฉริยะ ควรสังเกตว่าหัวข้อของเมืองอัจฉริยะนั้นกว้างและสหวิทยาการอย่างกว้างขวาง
ดังนั้น ในการทบทวนนี้ เป้าหมายของเราคือการแสดงให้เห็นว่า NG ถือเป็นผู้เปลี่ยนเกมในการพัฒนาเมืองอัจฉริยะภายใต้บริการ 5G ได้อย่างไร และการใช้ NG สามารถเพิ่มความสะดวกสบายให้กับชาวเมืองได้อย่างไร โดยพื้นฐานแล้ว
การทบทวนนี้จะให้ภาพรวมที่สร้างแรงบันดาลใจ เป้าหมายของเราคือการกระตุ้นความสนใจมากขึ้นต่อแอปพลิเคชัน NG ในกรอบงานเมืองอัจฉริยะ และจัดทำแนวทางสำหรับนักวางผังเมืองในการใช้เทคโนโลยี NG สำหรับการออกแบบและพัฒนาเมืองในอนาคต
เมืองอัจฉริยะ: แนวโน้มสิ่งพิมพ์
เมืองอัจฉริยะถือเป็นแนวคิดในอุดมคติในการจัดการกับความท้าทายที่เกิดขึ้นในด้านพลังงาน การขนส่ง ความปลอดภัย และการดูแลสุขภาพที่เกิดจากจำนวนประชากรในเมืองที่เพิ่มขึ้น13,45,46 ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยเกี่ยวกับเมืองอัจฉริยะจำนวนมากได้มุ่งเน้นไปที่นวัตกรรม เทคโนโลยีการพัฒนา47 และนโยบายใหม่48, 49, 50
เพื่อให้เข้าใจกระแสการวิจัยที่รวดเร็วในด้านเมืองอัจฉริยะ เราได้วิเคราะห์สิ่งตีพิมพ์ของเมืองอัจฉริยะอย่างครอบคลุม โดยการค้นหาคำหลักที่เกี่ยวข้องในฐานข้อมูล Scopus ซึ่งเป็นการค้นหารายงานทางวิชาการระดับนานาชาติ engine.51 ข้อมูรวบรวมตั้งแต่ปี 2551 ถึง 2562
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
