Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeiten an einem neuen Sensortyp. Das Besondere an diesem Sensor: Er ist kleiner als eine Fingerspitze. Dieser technische Fortschritt k\u00f6nnte auch den Weg f\u00fcr kompaktere Ger\u00e4te des Internets der Dinge (IoT) bereiten. Zudem verwenden die neuen Sensoren Aktivierungsempf\u00e4nger, die die Ger\u00e4te in einem stromsparenden und Batterie schonenden Suspend-Modus halten, wenn sie gerade nicht in Verwendung sind.<\/p>\n\n\n\n
Der neue Aktivierungsempf\u00e4nger ist weniger als ein Zehntel so gro\u00df wie \u00e4ltere Modelle. Auch der Verbrauch des nur 1 Quadratmillimeter gro\u00dfen Chips ist revolution\u00e4r: Er ben\u00f6tigt nur wenige Mikrowatt. Dar\u00fcber hinaus verf\u00fcgt er \u00fcber ein modernes Authentifizierungssystem, das vor spezifischen Angriffen sch\u00fctzt, welche die Batterie schnell entleeren k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
Andere g\u00e4ngige Aktivierungsempf\u00e4nger waren bisher mehrere Zentimeter gro\u00df, da ihre Antennen zur Kommunikation proportional zur Gr\u00f6\u00dfe der Funkwellen sein mussten. Das neue Modell vom Team des MIT verwendet hingegen Wellen im Terahertz-Bereich. Der Vorteil: Sie haben nur etwa ein Zehntel der L\u00e4nge von Radiowellen.<\/p>\n\n\n\n
Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht. Sie haben sehr hohe Frequenzen und breiten sich viel schneller aus als Radiowellen. Manchmal werden Terahertz-Wellen auch als Bleistiftstrahlen bezeichnet und sind besonders sicher, da sie einen direkteren Weg als andere Signale nehmen.<\/p>\n\n\n\n
Die Forscher haben mit diesem Aktivierungsempf\u00e4nger eine drahtlose Kommunikation \u00fcber mehrere Meter Entfernung demonstriert und so bewiesen, dass die Reichweite den Einsatz in kleineren Sensoren erm\u00f6glichen k\u00f6nnte. Dieser Empf\u00e4nger lie\u00dfe sich beispielsweise in Mikroroboter einbauen, um Umweltver\u00e4nderungen in Bereichen zu \u00fcberwachen, die f\u00fcr andere Roboter zu klein sind. Da das Ger\u00e4t Wellen im Terahertz-Bereich nutzt, k\u00f6nnte es au\u00dferdem in neu entstehenden Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in feldverlegbaren Funknetzen. Diese mit Schwarmintelligenz und sammeln lokalisierte Daten.<\/p>\n\n\n\n
Eunseok Lee, ein Doktorand in Elektrotechnik und Informatik, erkl\u00e4rt: \u201eWir k\u00f6nnen eine Antenne mit nur wenigen hundert Mikrometern auf jeder Seite herstellen und in den Chip integrieren. So k\u00f6nnen wir einen sehr kleinen Empf\u00e4nger bauen, der sich an ebenso kleine Sensoren oder Funkger\u00e4te anschlie\u00dfen l\u00e4sst.\u201c Die Forschungsergebnisse von Dr. Lee wurden auf der IEEE Custom Integrated Circuits Conference vorgestellt.<\/p>\n\n\n\n
H\u00e4ufig multiplizieren Empf\u00e4nger das Terahertz-Signal mit einem anderen Signal, um dessen hohe Frequenz zu \u00e4ndern. Dieser Prozess wird auch als Frequenzmischmodulation bezeichnet. Allerdings verbraucht das Mischen im Terahertz-Bereich viel Energie.<\/p>\n\n\n\n
Daher haben die MIT-Forscher einen Detektor entwickelt, der weniger Strom verbraucht. Dieser kann Terahertz-Wellen erkennen, ohne dass eine Frequenzmischung notwendig ist. Er nutzt nur wenige winzige Transistoren als Antennen, die dementsprechend einen geringen Energieverbrauch haben.<\/p>\n\n\n\n
Selbst mit zwei Antennen auf dem Chip ist der neue Aktivierungsempf\u00e4nger nur 1,54 Quadratmillimeter gro\u00df und verbraucht weniger als 3 Mikrowatt Strom. Diese Konfiguration mit zwei Antennen maximiert die Leistung und erleichtert nahezu beil\u00e4ufig das Lesen der Signale.<\/p>\n\n\n\n
Die Signale werden als analoge Daten empfangen, vom Chip verst\u00e4rkt und anschlie\u00dfend in ein digitales Signal umgewandelt. Das finale Signal enth\u00e4lt ein Token (eine Bitfolge), welches das IoT-Ger\u00e4t aktiviert, sofern es mit dem Token des Empf\u00e4ngers \u00fcbereinstimmt.<\/p>\n\n\n\n
In vielen Aktivierungsempf\u00e4ngern wird derselbe Token mehrfach verwendet. Ein Angreifer k\u00f6nnte diesen Token erkennen und ein passendes Signal senden. Dies w\u00fcrde das Ger\u00e4t immer wieder aktivieren und eine sogenannte Denial-of-Sleep-Attacke ausl\u00f6sen.<\/p>\n\n\n\n
\u201eEin Aktivierungsempf\u00e4nger kann die Lebensdauer von Ger\u00e4ten erheblich verl\u00e4ngern, da ein Angreifer durch eine Denial-of-Sleep-Attacke die gesamte Batterielebensdauer in weniger als einem Tag aufbrauchen k\u00f6nnte. Aus diesem Grund haben wir unseren Aktivierungsempf\u00e4nger mit einer Authentifizierung ausgestattet\u201c, erkl\u00e4rt Lee.<\/p>\n\n\n\n
Der neue Authentifizierungsblock des Empf\u00e4ngers verwendet einen Algorithmus, um die Token auf dem Ger\u00e4t nach dem Zufallsprinzip zu generieren. Dabei wird ein Schl\u00fcssel verwendet, der ausschlie\u00dflich mit vertrauensw\u00fcrdigen Sendern geteilt wird. Dieser Schl\u00fcssel funktioniert wie ein Passwort: Nur wenn ein Absender das Passwort kennt, kann er Signale mit dem richtigen Token senden. Die Forscher verwenden dazu eine Technik, die als leichtgewichtige Kryptographie bekannt ist. Diese sorgt f\u00fcr den geringen Energieverbrauch w\u00e4hrend des Authentifizierungsprozesses. <\/p>\n\n\n\n
Die Forscher haben ein Ger\u00e4t getestet, das Terahertz-Signale an den Aktivierungsempf\u00e4nger sendet. Sie erh\u00f6hten die Entfernung zwischen Chip und Quelle, um die Empfindlichkeit des Empf\u00e4ngers zu ermitteln. Somit bestimmten sie die minimale Signalst\u00e4rke, die f\u00fcr die erfolgreiche \u00dcbertragung ben\u00f6tigt wird.<\/p>\n\n\n\n
\u201eWir konnten Entfernungen von 5 bis 10 Metern mehr als andere erreichen. Und das mit einem Ger\u00e4t, das nicht nur sehr klein ist, sondern zus\u00e4tzlich auch nur einen Stromverbrauch im Mikrowattbereich hat\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Lee.<\/p>\n\n\n\n
Um besonders effektiv zu arbeiten, m\u00fcssen die Terahertz-Wellen direkt auf den Detektor treffen. Steht der Chip schr\u00e4g, geht ein Teil des Signals verloren. Deshalb haben die Forscher eine steuerbare Anordnung von Terahertz-Strahlen entwickelt: Mit dieser Technik ist es m\u00f6glich, die Kommunikation an mehrere Chips mit minimalem Signalverlust zu senden.<\/p>\n\n\n\n
In Zukunft wollen die Forscher das Problem der Signalverschlechterung anderweitig l\u00f6sen. Daf\u00fcr m\u00fcssten sie einen Weg finden, um die Signalst\u00e4rke zu erhalten \u2013 auch wenn sich die Empf\u00e4ngerchips nur leicht bewegen oder neigen. Au\u00dferdem wollen sie ihren Wake-up-Empf\u00e4nger an sehr kleinen Sensoren demonstrieren und die Technologie f\u00fcr den Einsatz in realen Ger\u00e4ten optimieren.<\/p>\n\n\n\n
Die Forscher haben bereits ein umfangreiches Technologieportfolio entwickelt. Dieses umfasst Technologien zur Erkennung, Markierung und Authentifizierung im Millimeterbereich. Dazu geh\u00f6ren die Terahertz-R\u00fcckstreuung, Energy Harvesting, elektrische Strahlsteuerung und -fokussierung. Nun wird das Portfolio durch den ersten Terahertz-Aktivierungsempf\u00e4nger erg\u00e4nzt \u2013 und eben dieser ist entscheidend zur Einsparung von Energie in den Miniaturplattformen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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