褚君浩院士：傳感器，讓我們的敏感神經(jīng)更敏感

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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)獎或科技進步獎12次。2005年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。

智能時代，傳感器無處不在。傳感器與計算機、通信被稱為信息系統(tǒng)的三大支柱，成為衡量一個國家科技水平以及是否處在國際戰(zhàn)略競爭制高點的一個重要標志。各種機器設(shè)備中的傳感器就相當(dāng)于人類的五官和神經(jīng)系統(tǒng)，它們讓機器能聽、能聞、能看，從而更好地感知、學(xué)習(xí)和進化，為我們提供高精度、智能化的服務(wù)。傳感器家族有哪些成員？它們能為我們提供怎樣的服務(wù)？高性能傳感器的市場長期被美國、日本、德國的企業(yè)占據(jù)，我國科學(xué)家如何才能在這一領(lǐng)域拼出一席之地？

簡單來說，傳感器就是用材料經(jīng)過一定的設(shè)計，做成的一個器件，取代耳朵、鼻子、舌頭、眼睛、皮膚的功能。它能夠看得見、聽得見，能夠聞得出味道，能夠感知到。它可以比人類的功能更強大，所以傳感器要具有高性能。傳感器具有的高性能，一般要超過人類的五官，能夠聽得到很遠的聲音，能夠看得見紅外光。

日常生活當(dāng)中傳感器非常多，最敏感的一個傳感器大家可能沒注意：你把手機靠近耳朵的時候，手機的屏幕就暗了，所以隨便怎么碰耳朵，照樣可以打電話，這就是手機傳感器在起作用。手機里面?zhèn)鞲衅髯疃啵叶己苄　⒑莒`敏?，F(xiàn)在傳感器的發(fā)展趨勢就是高精度、高靈敏、高速響應(yīng)、高穩(wěn)定性、高可靠性、微型化、柔性化、多功能集成化、數(shù)字化、智能化、無線通信化，另外還要綠色環(huán)保。

沒有傳感器就無法數(shù)字化

2019年，嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面。嫦娥四號搭載了多種科學(xué)探測儀器，可以探測月球表面的地形地貌、月表物質(zhì)的成分和月球表層的結(jié)構(gòu)。嫦娥四號的著陸器上還安裝了4個與月壤直接接觸的溫度計，可每900秒測量一次月壤的溫度，這也是人類首次實現(xiàn)在月球背面對月壤溫度進行原位測量。

我們進入了一個智能化的時代，上至宇宙探索，下至日常生活，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)滲透到方方面面，農(nóng)業(yè)測產(chǎn)、荒野探礦、太空探月都離不開傳感器，傳感器信息采集功能的重要性也因此越來越凸顯。物聯(lián)天下，傳感先行，無論是“大數(shù)據(jù)”“人工智能”，還是“物聯(lián)網(wǎng)”，其最重要的“基石”就是傳感器技術(shù)。那么，傳感器技術(shù)怎樣進行數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算？

智能時代的最大特點就是智能化系統(tǒng)的運用。智能化系統(tǒng)有三大支柱：動態(tài)感知、智慧識別、自動反應(yīng)控制。比如機器人能夠把乒乓球打到，首先是動態(tài)感知，看到這個球怎么過來；其次要分析這個球會從哪里進來，這是智慧分析；然后它采取措施，打到這個球。智能化系統(tǒng)最后的出路就是推動人工智能、智慧地球、數(shù)字城市的建設(shè)。這個系統(tǒng)最大的核心就是數(shù)字化，因為只有數(shù)字化才能定量化、精準化、規(guī)律化、智慧化，最后促進數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。

數(shù)字經(jīng)濟的“數(shù)字”從哪里來？就是靠傳感器來的，所以傳感器是大數(shù)據(jù)的源頭。數(shù)據(jù)有兩類：一類是文本大數(shù)據(jù)，另一類是物理大數(shù)據(jù)。物理大數(shù)據(jù)是靠傳感器實時獲得的，這類數(shù)據(jù)好多都是聲、光等類型的，它們屬于一個波動世界。這個波動世界里面的數(shù)據(jù)量特別大，一個波有振幅、有位相、有頻率，還有偏振等等，再加上時間、空間等海量的大數(shù)據(jù)，就可以告訴我們好多信息，然后對這些信息進行分析。

傳感器和物聯(lián)網(wǎng)是智慧地球、智慧城市兩個核心技術(shù)。智慧分析就是從大數(shù)據(jù)分析出一些我們所需要的信息?，F(xiàn)在浙江省義烏市有一座大橋里面安裝了好多傳感器，通過傳感器看它里面振動的應(yīng)力波形，不同的車輛開過去波形都會有變化。如果有一天發(fā)現(xiàn)應(yīng)力情況異常，就會報警。

傳感器是支撐智能化最重要的“一條腿”。無線通信接收信號要靠傳感器，通信衛(wèi)星主要就是發(fā)射和接收，接收需要傳感器，沒有傳感器，通信就中斷了，后面的智能化更無法實現(xiàn)。可以說沒有傳感器，就沒有智能時代；沒有傳感器，也沒有信息化時代。

我國傳感器技術(shù)與國外的差距及優(yōu)勢

一部智能手機中有20多個傳感器，一部汽車更是有多達上百個各類傳感器。無處不在的傳感器，已經(jīng)成為全世界最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)產(chǎn)業(yè)。但是，目前全球2萬多種傳感器產(chǎn)品中，我國能生產(chǎn)的只有大約6000種，遠遠不能滿足國內(nèi)市場的需求。智能手機中，傳感器幾乎均為國外產(chǎn)品，每年我國各種中高端傳感器進口占比高達80%，傳感器芯片進口的占比甚至要達90%。我國傳感器技術(shù)與國外的差距究竟在哪里？如何才能打開自己的一片天地？

傳感器國內(nèi)一般來說都能制造，在一般的應(yīng)用上面也都適用，但是在高端應(yīng)用、精細應(yīng)用方面和國外有差距，這就要發(fā)揚工匠精神趕超世界一流。

我們也有自己的優(yōu)勢領(lǐng)域，有一本最有名的科學(xué)手冊叫《LandoldtBoerstein》，這本科學(xué)手冊，到現(xiàn)在已經(jīng)有140年歷史了，它每隔10年到15年要修訂一次，我就是負責(zé)碲鎘汞材料修訂的作者負責(zé)人，因為在這個領(lǐng)域，我國科學(xué)家做的工作國際上認可，所以我們有這個資格來承擔(dān)這項工作。

發(fā)展傳感器，我國過去有一個弊端，就是買得到自己就不做了，但是紅外探測器高端的買不到，就只能自己做，我們反而做出來了。其實在有些核心的關(guān)鍵領(lǐng)域還是要自立自強。我們現(xiàn)在好多企業(yè)，在紅外傳感器方面，水平不斷地在提升。另外，要發(fā)展智能化，把芯片技術(shù)感受到的傳感信息，智能化地分析處理，這就是當(dāng)前傳感器發(fā)展的趨勢。

智能時代的“橋梁”

2019年4月15日，法國巴黎圣母院起火，考慮到空中投水可能造成建筑及文物損毀，法方派遣無人機捕獲實時圖像，為消防員實現(xiàn)精確定點撲救提供了重要支持。這其實得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，一字之差，但兩者截然不同。如果說，互聯(lián)網(wǎng)是人們用來進行信息傳播和共享的平臺，那么，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，所不同的是，物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感器、紅外等各種感知設(shè)備，將信息傳送到接收器，再通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)視、自動報警、控制、診斷和維護。如今，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，而傳感器作為智能時代的“橋梁”，在各個領(lǐng)域智慧建設(shè)中已不可或缺。未來，傳感器在智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域還能起到怎樣的作用？

江蘇無錫有一家公司，在公司每個區(qū)域里所有的轉(zhuǎn)動部分都安裝了傳感器，這樣在辦公室里可以監(jiān)控所有的電梯、馬達是否正常。如果哪個地方不正常，控制室就亮黃燈了，馬上就可以派人去修理。這就是智慧城市管理的一方面。

現(xiàn)在抑郁癥很多，還有一些小孩患抑郁癥，抑郁癥當(dāng)然有多種識別方法，也可以做成一個小的設(shè)備，定量分析患者的抑郁程度，這都是傳感器信息獲取分析的可能應(yīng)用。如果我們?nèi)梭w里面都有傳感器，比如口袋里放個心臟傳感器，心電圖隨時可以拿到，如果一個人心臟有點不舒服了，跟醫(yī)生打個電話，說我現(xiàn)在心臟不舒服，或者發(fā)條微信給他，這個是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用；但如果這個傳感器的信號直接送到分析中心，分析中心就能夠根據(jù)GPS定位知道人在什么位置，馬上通知相關(guān)機構(gòu)采取措施，這就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人類健康上面大有用處。

人類現(xiàn)在要進入智能時代，智能時代的最大特點就是智能化系統(tǒng)的運用，智能化系統(tǒng)非常重要的核心就是傳感器，傳感器就是我們的敏感神經(jīng)。在智能時代的背景下，我們要努力打造敏感神經(jīng)，通過科技創(chuàng)新手段不斷提升信息傳感水平，不斷提升智慧分析水平，從而發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智慧地球的事業(yè)，促進數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展和城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型，最終提升人們的生活水平。

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審核編輯黃宇