新的工業(yè)革命驅(qū)動力是什么？

褚君浩，中國科學(xué)院院士。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授，《紅外與毫米波學(xué)報》主編，中科院學(xué)部主席團(tuán)成員。褚君浩院士長期從事紅外光電子和半導(dǎo)體物理研究。獲得國家自然科學(xué)獎三次、部委級自然科學(xué)獎或科技進(jìn)步獎12次。2005年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。

導(dǎo)讀

近日，第十九期“海上院士講壇”在中國金融信息中心舉行。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、復(fù)旦大學(xué)教授褚君浩院士，作題為“第四次工業(yè)革命和智能時代”的主題報告。

報告中，褚君浩院士多次強調(diào)掌握自主的傳感器技術(shù)對我國進(jìn)行第四次工業(yè)革命和進(jìn)入智能化時代的重要性。褚君浩院士指出，傳感器是第四次工業(yè)革命中智能化系統(tǒng)一個非常重要的核心技術(shù)。我國發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要，用更低的成本，實現(xiàn)更快的速度，更智能化的應(yīng)用。

有了好的傳感器，就能握緊核心技術(shù)，再通過互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把傳感的信息傳出去加以分析，進(jìn)而達(dá)成多功能集成化、無線通信化、柔性化、微型化。

第四次工業(yè)革命

18世紀(jì)，第一次工業(yè)革命起源于英國，以機(jī)械化為特征。當(dāng)時先有蒸汽機(jī)，隨著技術(shù)和性能的不斷提高，大機(jī)器生產(chǎn)取代手工勞動，整個世界開始機(jī)械化。進(jìn)而，生產(chǎn)力得到解放和發(fā)展，出現(xiàn)擁有資產(chǎn)的階層，改變了世界的面貌；勞動力從農(nóng)村走向城市，開始了城市化的進(jìn)程。

19世紀(jì)，第二次工業(yè)革命，以電氣化為特征。由于在實驗室里面發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)規(guī)律，從而發(fā)明了電動機(jī)和發(fā)電機(jī)。當(dāng)時，美德兩國處于領(lǐng)先地位，電力的廣泛應(yīng)用及石油的大量開采，將科學(xué)技術(shù)成就循序運用到生產(chǎn)中，推動了世界經(jīng)濟(jì)的迅速增長，進(jìn)一步改變了人民的生活方式；壟斷資本影響國家和世界的政治和經(jīng)濟(jì)生活；加強了世界聯(lián)系，同時帶來了環(huán)境污染。

工業(yè)革命是技術(shù)和科學(xué)交叉推動，科學(xué)推動技術(shù)，技術(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，應(yīng)用對技術(shù)提出要求，技術(shù)要解決問題，又想辦法從科學(xué)上來解決，以此循環(huán)。好比，第一次工業(yè)革命是從技術(shù)開始，然后到科學(xué)，再到技術(shù)。第二次工業(yè)革命就不一樣了，完全是從科學(xué)開始，然后到技術(shù)再到科學(xué)。

20世紀(jì)， 第三次工業(yè)革命，以信息化為特征。從科學(xué)出發(fā)到技術(shù)再到科學(xué)，由此發(fā)展。通過原子物理、量子力學(xué)、固體物理、現(xiàn)代光學(xué)和半導(dǎo)體科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，使得我們在半導(dǎo)體晶體管、集成電路、激光、光纖、電磁波、巨磁阻效應(yīng)等方面，得到了技術(shù)性的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了電子技術(shù)、微電子技術(shù)、原子能技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)等一系列新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

那么，新的工業(yè)革命驅(qū)動力是什么？

1.能源和環(huán)境問題突顯， 全球可持續(xù)發(fā)展面臨巨大壓力

過去北冰洋都是冰，北極熊覓食時，在冰上打個洞，魚游過來，就可以撈魚吃?？墒?，隨著冰川融化，沒有地方打洞，最終造成大熊吃小熊，這也是人們?nèi)ヂ糜螘r能看到小熊骨骼的原因。倘若北極格陵蘭島冰蓋全部融化，海平面將上升7.2米！對上海來說，浦東海拔高度和海平面距離不到2米，浦西只有3到4米。如果海平面上升7.2米，意味著浦東要全部浸到水里去了。

2. 人類不斷追求更加美好的生活

我們過去看黑白的電視，后來看彩色的電視，屏幕越來越大，將來可能會看看立體的電視。激光全息攝影就是其中一種方案，人們也在為之研究。

3. 信息科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展為工業(yè)革命創(chuàng)造條件

現(xiàn)在基于物質(zhì)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)、微納米器件和制造新技術(shù)；基于腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)發(fā)展，促進(jìn)高度智能化；數(shù)字化發(fā)展成為大數(shù)據(jù)，程序化發(fā)展到智能化，小型化發(fā)展到微納化，網(wǎng)絡(luò)化由機(jī)—機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到人—機(jī)—物網(wǎng)絡(luò)。

舉個例子，現(xiàn)在集成電路發(fā)展非常困難，尺寸越來越小，摩爾定律接近臨界，將來可能就要研究自旋電子學(xué)。自旋電子器件高速度、低功耗，可實現(xiàn)更高集成度，還能融合光、電、磁，實現(xiàn)存儲、計算、傳感為一體的器件，從而實現(xiàn)更高速的集成電路。

信息、生物、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的一些重大突破已出現(xiàn)萌芽，很多思想、理念、技術(shù)都會發(fā)生大的躍變。人類進(jìn)入后IT時代，迎接智能時代。

所以第一次工業(yè)革命是機(jī)械化，第二次工業(yè)革命是電氣化，第三次工業(yè)革命是信息化，第四次工業(yè)革命總趨勢就是智能化。它的特點就是智慧融入物理的實體系統(tǒng)里面，簡稱智慧融物?，F(xiàn)在第四次工業(yè)革命有以下三個特征：信息科學(xué)技術(shù)在物理數(shù)學(xué)生物基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升；多領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)和發(fā)明多軌并行、交叉推動；信息科學(xué)技術(shù)和多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)深度融合，將信息滲透到各個領(lǐng)域，由此用信息技術(shù)提升能級。

新工業(yè)革命的技術(shù)態(tài)勢有六個方面：第一個，智能化分布式新能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)；第二個，智能化復(fù)雜體系、人工智能、智慧城市；第三個，智能化制造技術(shù)、先進(jìn)材料、極端制造；第四個，智能化診斷、修復(fù)技術(shù)、智慧醫(yī)療；第五個，傳統(tǒng)工業(yè)的智能化升級；第六個，互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)。

迎接智能時代

智能時代的特點就是智能化的系統(tǒng)，這是它的核心。智能化的系統(tǒng)有三根支柱，動態(tài)感知、智慧識別、自動反應(yīng)：

首先它是要動態(tài)感知，就是像我們的眼睛，耳朵等五官，可是，二維碼、條形碼不是動態(tài)的，它們是事先做好放在那里的。所以智能化的系統(tǒng)里面，我們要靠傳感器，達(dá)成動態(tài)感知，而傳感器則是代替我們五官的。

第二個就是要智慧識別，識別就是要分析，相當(dāng)于我們的腦子。這里面要靠大數(shù)據(jù)的分析，大數(shù)據(jù)的分析有兩個方面，一個是文本大數(shù)據(jù)，是現(xiàn)成的，另一個是物理大數(shù)據(jù)，是通過測量得到的，比如天氣預(yù)報，我們?nèi)梭w看B超，做CT， 要更加注重物理過程的規(guī)律、模型、方法。通過規(guī)律發(fā)現(xiàn)規(guī)律，事半功倍。

第三個就是要自動反應(yīng)?，F(xiàn)如今我們有基礎(chǔ)信息平臺，有互聯(lián)網(wǎng)，有物聯(lián)網(wǎng)，有集成電路，有芯片技術(shù)，有通訊技術(shù)5G的技術(shù)，能大大提高自動反應(yīng)。

例如，一個打乒乓球的機(jī)器人，是典型的智能化系統(tǒng)，因為首先它看得見乒乓球，這是動態(tài)感知，第二個它要算這個乒乓球彈起來怎么樣，第三個是它反應(yīng)，把它打回去，在智能化的系統(tǒng)中，一個是人工智能，一個是智慧地球。人工智能在工業(yè)上已經(jīng)用得非常普遍。

德國慕尼黑的寶馬工廠里，有5000個人，里面1000個是機(jī)器人。在智慧地球里面，包括智慧空天海地、智慧能源環(huán)境、智能制造等。“智慧地球 = 互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)”，這是IBM總裁的定義。溫總理在無錫有一段講話，“把所有通過物品，通過信息傳感的設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行智能化處理，這個就是物聯(lián)網(wǎng)了。”

智能系統(tǒng)，是在某一區(qū)域中智能化運行某一行為。比如在家庭智慧的老幼監(jiān)視系統(tǒng)或者設(shè)備控制系統(tǒng)；在小區(qū)智慧的能源調(diào)控系統(tǒng)；在工廠智慧的物流系統(tǒng)等。所以智能系統(tǒng)是一定在一個區(qū)域內(nèi)，實行一個、兩個或者三個行為。如果說區(qū)域越來越大，行為越來越多，那么你的智慧度就越來越高。

在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算的基礎(chǔ)信息化技術(shù)上，智慧城市至少應(yīng)該有四層架構(gòu)：感知層、互聯(lián)層、分析層、反應(yīng)層，進(jìn)而在城市綜合管理、 交通物流貿(mào)易、能源環(huán)境安全、 醫(yī)療文化教育和城市社區(qū)安居五大方面獲得廣泛應(yīng)用。

其中包含兩個核心的技術(shù)，一個是實時感知技術(shù)，是通過傳感器芯片來實現(xiàn)。第二個是智慧分析系統(tǒng)，通過模型和大數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)，比如人體心臟監(jiān)視器，數(shù)據(jù)分析中心實時獲取心臟信息后發(fā)送出去，如果發(fā)現(xiàn)你的心電圖有什么問題，馬上就可以采取措施，這就是智慧的醫(yī)療。

首先是傳感器，就是一個器件，它是代替我們?nèi)说难劬?、鼻子、耳朵，把光聲熱電子生物過程變成電。比如光電傳感器來說，非常重視基礎(chǔ)研究，它提供方法、手段、模型、理論。既然是不同運動形式的器件，我們需要發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，進(jìn)行在技術(shù)上提高、實現(xiàn)，從而做成了傳感器，這個就發(fā)展了光電芯片技術(shù)。

另外，用不同波段探測器，可以看到不同信息。因為不同的波段有不同的特征，所以要做不同波段的探測器。比如短波紅外，可見光和近紅外，都有不同的用處。現(xiàn)在照相機(jī)是可見光的，如果能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，能做出不同波段的探測器，其應(yīng)用面將非常寬廣。

波長再長就是太赫茲（THz），其應(yīng)用面很廣，包括地垢油的監(jiān)測，醫(yī)學(xué)二維成像，安全（爆炸物探測），雷達(dá)建模等。這里面有核心技術(shù)，比如說要做特殊靈敏的探測器、非夲征Ge光電探測器，場效應(yīng)晶體管探測器，肖特基勢壘探測器等等。

我們最近發(fā)現(xiàn)一個新現(xiàn)象：窄禁帶半導(dǎo)體MSM結(jié)構(gòu)與THz光場相互作用，外部電磁波（光子）入射到器件上，將在半導(dǎo)體材料中誘導(dǎo)勢阱，從而束縛來自于金屬中的載流子，使得材料中載流子濃度發(fā)生改變，出現(xiàn)載流子集聚。

紅外，不僅可以在黑暗里面看清圖象，同時還能看到溫度分布。我們可以用鐵電薄膜、氧化釩等，制造室溫工作的紅外探測器，根據(jù)科學(xué)道理，分析不同溫度的物體，以及對外輻射的能量分布。這也是現(xiàn)在疫情期間，經(jīng)常用來探測體溫的。

再比如說火情監(jiān)控，可以通過固定式紅外監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)載紅外火情預(yù)警、紅外衛(wèi)星等紅外探測技術(shù)，及時準(zhǔn)確地穿透煙霧，發(fā)現(xiàn)火點以及火場被困人員。

智能時代背景下光電傳感器需求，有以下幾點：少光子、單光子、光子數(shù)可分辨紅外探測器；超大規(guī)模焦平面列陣器件；不同波段光電器件；多波段融合光電器件；室溫工作紅外焦平面器件；新型讀出方式焦平面器件。要清楚材料器件結(jié)構(gòu)中物理過程，并能精細(xì)描述和控制，從而提升技術(shù)水平并達(dá)成創(chuàng)新。

因此，傳感器是智能化系統(tǒng)一個非常重要的核心技術(shù)。發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要，用更低的成本，實現(xiàn)更快的速度，更智能化的應(yīng)用。有了好的傳感器，就能握緊核心技術(shù)，再通過互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把傳感的信息傳出去加以分析，進(jìn)而達(dá)成多功能集成化、無線通信化、柔性化、微型化。

第二個核心技術(shù)，就是智慧分析，模型分析，大數(shù)據(jù)分析。我們現(xiàn)在是處在一個波動世界里面，空間引力波、電磁波、機(jī)械波，這個波就有頻率、強調(diào)、位相、偏振，通過對于波的分析，就可以得到很多信息。

舉個例子，蘋果、櫻桃、梨、葡萄光譜不一樣。我們每個人穿的衣服光譜也不一樣，當(dāng)我們獲取波譜特征，并存入數(shù)據(jù)庫后，應(yīng)用時就可以，將測量到的波譜，對比數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，即可進(jìn)行分析判斷。醫(yī)學(xué)成像信息大數(shù)據(jù)，則是利用成像結(jié)合光譜，從而進(jìn)行識別。

所以，智能芯片則是將分析和傳感器的芯片結(jié)合在一起，采集波的特征，制作數(shù)據(jù)庫，形成自己的系統(tǒng)。

重視基礎(chǔ)研究是非常重要的，基礎(chǔ)研究是歷次工業(yè)革命的科學(xué)源泉，又在歷次工業(yè)革命中得以發(fā)展?；A(chǔ)研究將推動第四次工業(yè)革命發(fā)展，將在智能時代背景中催生新發(fā)現(xiàn)新技術(shù)。所以這也是科學(xué) - 技術(shù) - 科學(xué) - 技術(shù)之間不斷應(yīng)用，根據(jù)科學(xué)技術(shù)本身的規(guī)律來研究，來推動它的發(fā)展。

現(xiàn)在新工業(yè)革命對制造業(yè)也會有一些影響，首先，工業(yè)革命總是與科技革命相伴而生，制造業(yè)也逐漸從傳統(tǒng)邁向智能化時代，因為隨著工業(yè)機(jī)器人、3D打印、數(shù)字化工廠的出現(xiàn)，取代了人工，使勞動力成本占總成本的比例不斷減小，使我國很多制造行業(yè)面臨生存危機(jī)，但也促進(jìn)了人工智能機(jī)器人的發(fā)展。而且將來網(wǎng)絡(luò)共享的經(jīng)濟(jì)模式會出現(xiàn)分布生產(chǎn)模式，智慧工廠和互聯(lián)網(wǎng)工廠。

與此同時，也會提倡低碳化、綠色的生產(chǎn)與生活方式，突破一些關(guān)鍵技術(shù)，其中包括可再生能源技術(shù)、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、新能源技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)這些普遍的技術(shù)，還包括很多特殊的技術(shù)、傳感的技術(shù)、分析的技術(shù)等等。

制造業(yè)轉(zhuǎn)化的趨勢，有以下五點：原來主要是靠資源和投資驅(qū)動的，現(xiàn)在靠技術(shù)進(jìn)步。原來是生產(chǎn)能力的擴(kuò)張，現(xiàn)在是技術(shù)能力的積累。原來是生產(chǎn)型的制造，向服務(wù)型的制造發(fā)展。原來是處在制造業(yè)價值鏈的低端向價值鏈的高端發(fā)展。原來是擠壓環(huán)境，現(xiàn)在是對環(huán)境友好。

關(guān)于新工業(yè)革命的應(yīng)對措施，政府應(yīng)該做好推進(jìn)新工業(yè)革命的頂層設(shè)計。其次，要積極投資新工業(yè)革命需要的重要基礎(chǔ)設(shè)施，包括宏觀的新基建，還包括每個鎮(zhèn)、鄉(xiāng)、城市、省的設(shè)施。另外，要培育創(chuàng)新環(huán)境，推動技術(shù)創(chuàng)新浪潮。構(gòu)建未來產(chǎn)業(yè)的培育體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。

最后，推動適應(yīng)新工業(yè)革命需要的機(jī)制體制建設(shè)。其中幾方面工作要加強，第一，加強科學(xué)規(guī)律和核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三部曲。第二，加強實驗室成果的中試研發(fā)，企業(yè)要提早介入，政府要分擔(dān)風(fēng)險。第三，切實加強產(chǎn)學(xué)研合作，建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合實驗室、聯(lián)合研發(fā)中心，政府要引導(dǎo)支持。第四，要提高企業(yè)的自主創(chuàng)新意識，增強自主創(chuàng)新能力。

最后，老子曾說：“有道無術(shù)，術(shù)尚可求也。有術(shù)無道，止于術(shù)?！?莊子曾說：“以道馭術(shù)，術(shù)必成。離道之術(shù)，術(shù)必衰?！?。這兩句話將科學(xué)規(guī)律和技術(shù)的關(guān)系，表達(dá)得淋漓盡致。

培育創(chuàng)新能力

培育創(chuàng)新能力，對于一個單位、科學(xué)家、工程師、學(xué)生都是重要的，關(guān)鍵是人。第一要遵循客觀規(guī)律，尤其是發(fā)現(xiàn)規(guī)律，開發(fā)技術(shù)，實際應(yīng)用特別重要，要把關(guān)系處理好；第二要修煉內(nèi)在的素質(zhì)，勤奮，有好奇心，有創(chuàng)新精神，要漸進(jìn)，不要浮躁，有遠(yuǎn)大志向；第三要凝聚驅(qū)動的力量，驅(qū)動的力量非常重要的是興趣，要有興趣來做這件事，只有產(chǎn)生興趣才能做得最好；第四要有責(zé)任的驅(qū)動，我們是人，有精神的驅(qū)動，責(zé)任的驅(qū)動；最后要培養(yǎng)一種極致的精神，就是精益求精，一絲不茍。

結(jié) 語

每一位院士都是中國科學(xué)界的棟梁，中國科技領(lǐng)域的中流砥柱，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著高屋建瓴的見解，也引領(lǐng)者我們國家最前沿科學(xué)的發(fā)展方向。

從褚君浩院士的報告中，多次強調(diào)傳感器在第四次工業(yè)革命中的重要作用，也是中國邁入智能時代的核心技術(shù)。然而我國傳感器產(chǎn)業(yè)羸弱，核心技術(shù)掌握不多，是整個中國傳感器產(chǎn)業(yè)亟需改變的現(xiàn)狀。

審核編輯 ：李倩