Η Διδακτορική Διατριβή έχει ως σκοπό την σχεδίαση και την κατασκευή ψηφιακού διδύμου αγροτικής εφαρμογής, αξιοποιώντας δίκτυα επικοινωνίας και συσκευές χαμηλού εύρους ζώνης, τροφοδοτούμενες από μπαταρία με χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης bit για μεγάλες αποστάσεις. Επιπρόσθετα, θα παρέχονται ασφαλείς προσβάσεις σε κατανεμημένες εγκαταστάσεις υψηλής απόδοσης υπολογιστικού νέφους, με απαιτούμενα δεδομένα ασφαλούς εισόδου και επικύρωσης. Αξιοποιώντας τεχνολογίες Digital Twin (DT) για να κατασκευαστεί ένα εικονικό αντίγραφο του πραγματικού συστήματος θα επιχειρηθεί η ανάπτυξη μιας δυναμικής πλατφόρμας δοκιμών, αναγνώρισης και επιβεβαίωσης των αλληλεπιδράσεων και των αποτελεσμάτων εναλλακτικών αποφάσεων εντός του πραγματικού συστήματος. Τέτοια εφαρμογή μπορεί να βελτιστοποιήσει την πρόβλεψη μελλοντικών αναγκών στην εφαρμοσμένη γεωργία, καθώς και να λειτουργεί ως χρήσιμο εργαλείο διαχείρισης για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της λειτουργίας των καλλιεργειών, αλλά και για την ελαχιστοποίηση κινδύνων και αστοχιών των συστημάτων με ορίζοντα τη βελτίωση της χάραξης γεωργικής πολιτικής και της λήψης αποφάσεων που αφορούν την αποδοτικότερη αξιοποίηση μεθόδων στην γεωργία ακριβείας εν γένει.

Σήμερα οι τεχνολογίες Internet of Things (IoT) έχουν εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων, προσφέροντας λύσεις σε ένα πλήθος προβλημάτων. Από τις έξυπνες οικιακές εφαρμογές και τη φροντίδα ηλικιωμένων έως τις βιομηχανικές εφαρμογές, την παρακολούθηση του περιβάλλοντος και τις στρατιωτικές εφαρμογές, το IoT έχει αποδειχθεί ένα ανεκτίμητο εργαλείο για την καινοτομία. Η οικονομική ανάλυση προέβλεψε ότι οι παγκόσμιες δαπάνες IoT θα αυξηθούν κατά 24% το 2021 και αναμένεται να αυξηθούν περαιτέρω κατά 26,7% ετησίως. Οι τεχνολογίες Low Power Wide-Area Networking (LPWAN) είναι ο βασικός παράγοντας για τα πολλά πρόσωπα των τεχνολογιών IoT. Το LPWAN διαφοροποιείται από παραδοσιακά δίκτυα επειδή μειώνει το κόστος και την κατανάλωση ενέργειας ενώ αυξάνει την κάλυψη. Η απόδοσή του σε χαμηλή κατανάλωση το καθιστά ιδανικό για συσκευές και αισθητήρες που πρέπει να έχουν χαμηλή κατανάλωση μπαταρίας. Ως εκ τούτου, το LPWAN ξεχωρίζει για την επεκτασιμότητα του, ενώ παραμένει πραγματικά οικονομικά αποδοτικό. Οι τεχνολογίες LPWAN επιλέγονται συνήθως για δίκτυα συστημάτων έγκαιρης προειδοποίησης (EWS) για την πρόληψη φυσικών καταστροφών όπως πυρκαγιές και πλημμύρες. Υπάρχουν επίσης δίκτυα που ανταποκρίνονται στις ανάγκες των κρίσιμων υποδομών όπως πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής, ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί, εγκαταστάσεις ύδρευσης και άλλα. Για αυτούς τους λόγους, είναι επιτακτική ανάγκη οι κόμβοι που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υποδομών ζωτικής σημασίας, να λειτουργούν βέλτιστα, με υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια. Σε αυτή τη Διδακτορική έρευνα στόχος είναι να εξετάσει τις υπάρχουσες προσεγγίσεις ανάπτυξης κόμβων για κρίσιμες εφαρμογές και να αναπτύξει τη μεθοδολογία και τα εργαλεία για την προσομοίωση και την υλοποίηση κόμβων που θα ενσωματώνουν πρότυπα αξιοπιστίας και ασφαλούς λειτουργίας.

Σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ηλεκτρονικής διάταξης, η οποία θα δημιουργηθεί με μεθόδους εκτύπωσης (ink-jet, screen printing) σε εύκαμπτα υποστρώματα, τα οποία θα πρέπει να παρουσιάζουν μια σειρά από χαρακτηριστικά (όπως να έχουν μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα, να είναι ελαφριά, να είναι διαφανή, να μην παρουσιάζουν ατέλειες δομής να είναι ανθεκτικά σε μεγάλες θερμοκρασίες κ.λ.π.). Η διάταξη θα υλοποιηθεί με χρήση καινοτόμων υλικών, όπως είναι το γραφένιο, οξείδιο του γραφενίου, πολυμερικά υλικά με νανοσωματίδια κτλ. Θα μελετηθούν ηλεκτρικές ιδιότητες, αλλά και φυσικές ιδιότητες, οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη καινοτόμων αισθητήρων θερμοκρασίας, υγρασίας, παραμόρφωσης κτλ. Ο βασικός στόχος είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου εύκαμπτου ευφυούς εκτυπωμένου συστήματος, το οποίο θα αποτελείται από την βασική διάταξη αίσθησης πλαισιωμένης από τα ηλεκτρονικά ελέγχου και ανάγνωσης (control and readout electronics) καθώς και από το περιβάλλον διεπαφής με τον χρήστη (user interface). Όλα τα επιμέρους στοιχεία θα αναπτυχθούν ειδικά για τις ανάγκες τις αναφερόμενης διάταξης στα πλαίσια της διατριβής. Το τελικό εκτυπωμένο σύστημα θα χαρακτηριστεί και θα αξιολογηθεί εκτενώς σε επιλεγμένες σύγχρονες εφαρμογές.

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη εκτυπωμένων ηλεκτρονικών διατάξεων μέσω της τεχνολογίας inkjet. Βασική δραστηριότητα της αναφερόμενης Διατριβής είναι η μελέτη διαφορετικών τύπων μελανιών, εμπορικών και πειραματικών, μέσω των οποίων θα κατασκευαστούν οι προτεινόμενες διατάξεις. Οι βασικές ηλεκτρικές, θερμικές και γενικές φυσικές ιδιότητες θα μελετηθούν εκτενώς για να προσδιοριστεί η συμπεριφορά των μελανιών σε πολυστρωματικές τυπωμένες δομές. Στόχος αυτής της δράσης είναι η βελτιστοποίηση της κατασκευής προκαθορισμένων γεωμετρικών μοτίβων μέσω ενός εξειδικευμένου εκτυπωτή inkjet. Επιπλέον, διάφορες διατάξεις τυπωμένων αισθητήρων (αισθητήρες θερμοκρασίας, υγρασίας, παραμόρφωσης και χημικοί αισθητήρες) θα αναπτυχθούν σε διάφορα εύκαμπτα υποστρώματα (χαρτί, PET, Kapton κ.λπ.). Την τελευταία δεκαετία, το γραφένιο έχει αναδειχθεί ως ένα πολύ ενδιαφέρον υλικό κατάλληλο για την κατασκευή εύκαμπτων ηλεκτρονικών ως αποτέλεσμα των ηλεκτρονικών, οπτικών και θερμικών ιδιοτήτων του. Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορες εφαρμογές πολύπλοκων ηλεκτρονικών συσκευών, όπως κανάλια ημιαγωγών για τρανζίστορ υψηλής ταχύτητας. Αυτή η Διατριβή εστιάζει στο σχεδιασμό, τη μελέτη και την κατασκευή μιας πλήρως τυπωμένης διάταξης τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (field-effect transistor) με βάση το γραφένιο. Πρόκειται για μια καινοτόμο δράση καθώς περιλαμβάνει τον συνδυασμό υλικών-μελανιών με διαφορετικές ιδιότητες (αγωγοί, μονωτές, ημιαγωγοί) καθώς και πολυστρωματικές κατασκευές, που απαιτούν μορφοποίηση ακριβείας και μόνωση. Οι παραγόμενες διατάξεις θα χαρακτηριστούν εκτενώς τόσο ως προς την ηλεκτρική τους συμπεριφορά όσο και ως προς την αξιοπιστία τους. Επιπλέον, θα γίνει προσπάθεια εξαγωγής κατάλληλων πληροφοριών από τυπωμένα τρανζίστορ, όπως η δημιουργία ενός εργαλείου επικεντρωμένου σε υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ημιαγωγών που θα μπορούσαν να αποτελούν μέρος ενός υπάρχοντος πακέτου εμπορικού σχεδιασμού ή ενός πλήρως αυτόνομου λογισμικού που θα μπορούσε να αξιολογήσει σωστά την απόκριση διατάξεων αυτού του είδους (Process / Physical Design Kit / PDK).