2030年傳感器技術(shù)的5大進(jìn)化方向（附全清單）

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代創(chuàng)新的基石，在醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測(cè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品等各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它與智能設(shè)備的集成促進(jìn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和分析，從而推動(dòng)了自動(dòng)化，提高了效率并確保了更高的安全性。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)更復(fù)雜、更可靠、更智能的傳感器的需求將會(huì)增加。到 2030 年，傳感器技術(shù)預(yù)計(jì)將發(fā)生重大變革，提供超出當(dāng)前預(yù)期的功能。本文將探討 2030 年傳感器技術(shù)的預(yù)期發(fā)展，并回顧推動(dòng)這些進(jìn)步的最新研究和創(chuàng)新。

傳感器技術(shù)的歷史簡(jiǎn)要

自20世紀(jì)初誕生以來，傳感器技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。當(dāng)時(shí)，基本的機(jī)械和電氣傳感器主要用于工業(yè)用途，為未來的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入 20 世紀(jì)中葉，半導(dǎo)體傳感器的引入帶來了重大突破。這些新傳感器大大提高了精度和靈敏度，為更先進(jìn)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 20 世紀(jì)末，微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 又一次飛躍。這些微型但功能強(qiáng)大的傳感器可以在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)小型化，從而成為該領(lǐng)域的變革者。

21 世紀(jì)初迎來了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)時(shí)代，這再次徹底改變了傳感器技術(shù)。智能傳感器開始出現(xiàn)，它們具備無線通信和數(shù)據(jù)處理能力，能夠與其他設(shè)備連接和交互。 如今，傳感器通過與人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 的整合而進(jìn)一步發(fā)展，提供曾經(jīng)只存在于科幻小說中的實(shí)時(shí)洞察能力。隨著越來越多的行業(yè)認(rèn)識(shí)到傳感器在監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集和決策方面的價(jià)值，傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將繼續(xù)增長(zhǎng)。

未來前沿：2030 年的傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)有望帶來顯著進(jìn)步，重新定義行業(yè)和日常生活。到 2030 年，傳感器預(yù)計(jì)將在精度、能源效率、與新興技術(shù)的集成等方面達(dá)到新的高度。以下部分探討了該領(lǐng)域可以預(yù)期的關(guān)鍵發(fā)展。

1、提高精度和靈敏度

到 2030 年，精度和靈敏度將成為傳感器技術(shù)的關(guān)鍵。材料科學(xué)的進(jìn)步，尤其是納米技術(shù)的進(jìn)步，將使傳感器能夠檢測(cè)到環(huán)境或生物條件中最細(xì)微的變化。 納米材料以其獨(dú)特的性能而聞名，它將增強(qiáng)傳感器識(shí)別微小變化的能力，從而實(shí)現(xiàn)更早、更準(zhǔn)確的醫(yī)療診斷。這些改進(jìn)將超越醫(yī)學(xué)，通過檢測(cè)痕量污染物和大氣條件的變化，徹底改變環(huán)境監(jiān)測(cè)，從而促進(jìn)更有效的干預(yù)。在工業(yè)環(huán)境中，更高的精度將提升過程監(jiān)控，提高質(zhì)量控制和運(yùn)營(yíng)效率。 圖片來源：ART STOCK CREATIVE/Shutterstock.com

2、超低功耗

能源效率將成為下一代傳感器的標(biāo)志。由于傳感器部署在偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)的地方，頻繁維護(hù)不切實(shí)際，對(duì)超低功耗的需求將會(huì)增加。 到 2030 年，傳感器有望以最小功率運(yùn)行，可能通過環(huán)境能量收集等技術(shù)從其環(huán)境中獲取能量。這意味著傳感器可以將光、熱或振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，從而延長(zhǎng)其使用壽命并通過最大限度地減少對(duì)一次性電池的依賴來減少對(duì)環(huán)境的影響。 節(jié)能傳感器對(duì)于不斷擴(kuò)大的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，支持跨不同應(yīng)用的持續(xù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集，而無需頻繁更換電源的麻煩。 例如， 《電子》雜志最近發(fā)表的一篇論文探討了能量收集傳感器在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的實(shí)用性。這些傳感器可以有效地將環(huán)境能量（如光、熱和振動(dòng)）轉(zhuǎn)換為電能。這項(xiàng)技術(shù)強(qiáng)調(diào)了建立自給自足的傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛力，這種網(wǎng)絡(luò)幾乎不需要維護(hù)，從而降低了各個(gè)行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

3、與量子技術(shù)的融合

量子技術(shù)即將成為傳感器技術(shù)的變革力量，預(yù)計(jì)到 2030 年量子傳感器將實(shí)現(xiàn)前所未有的精度和靈敏度。這些傳感器利用量子力學(xué)的原理，例如疊加和糾纏，來測(cè)量物理量，其精度水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)傳感器。 這種能力對(duì)于需要高精度測(cè)量的領(lǐng)域具有特殊的價(jià)值，包括導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)成像和環(huán)境監(jiān)測(cè)，因?yàn)榱孔觽鞲衅骺梢詸z測(cè)和量化量子水平的現(xiàn)象，提供以前無法企及的洞察力。 量子技術(shù)與傳感器的結(jié)合將為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用開辟新的領(lǐng)域。例如，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，量子傳感器可以檢測(cè)磁場(chǎng)的微小變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的非侵入式和高度詳細(xì)的掃描。在導(dǎo)航領(lǐng)域，量子傳感器可以提供重力場(chǎng)的超精確測(cè)量，從而提高全球定位系統(tǒng) (GPS) 的精度。 《量子電子學(xué)》雜志最近發(fā)表的一項(xiàng)研究探索了量子傳感器在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的潛力。研究人員表示，量子傳感器可以探測(cè)到神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的極其微弱的磁場(chǎng)，從而為監(jiān)測(cè)大腦功能提供了一種非侵入性方法。這項(xiàng)技術(shù)有可能通過提供高分辨率圖像來改變神經(jīng)成像，而無需有害輻射或侵入性手術(shù)。

4、先進(jìn)的生物相容性傳感器

生物相容性傳感器也將變得更加復(fù)雜，可以與人體無縫集成，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的健康監(jiān)測(cè)。這些傳感器通常由柔性和生物相容性材料制成，旨在與生物組織相互作用而不會(huì)引起不適或不良反應(yīng)。 預(yù)計(jì)未來十年該領(lǐng)域?qū)⑷〉弥卮筮M(jìn)步，傳感器將變得更小、更靈活，并能夠監(jiān)測(cè)更廣泛的生理參數(shù)。 在《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志最近發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)明了一種 3D 打印的生物相容性傳感器，可以順利地整合到可穿戴設(shè)備中，以進(jìn)行持續(xù)的健康監(jiān)測(cè)。這些傳感器由可拉伸的類似皮膚的材料制成，可以適應(yīng)身體，精確測(cè)量心率、血壓和血糖水平等基本體征。這項(xiàng)研究標(biāo)志著下一代可穿戴健康技術(shù)發(fā)展中取得了顯著的進(jìn)步。 生物相容性傳感器的潛在用途非常廣泛，尤其是在醫(yī)療保健領(lǐng)域。智能手表和健身追蹤器等可穿戴健康技術(shù)將受益于這些進(jìn)步，提供更準(zhǔn)確、更全面的生命體征監(jiān)測(cè)。此外，用于監(jiān)測(cè)慢性病或提供有針對(duì)性治療的植入式設(shè)備也將改善功能和患者舒適度。

5、人工智能傳感器網(wǎng)絡(luò)

到2030年，人工智能與傳感器技術(shù)的融合將催生智能傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)將能夠自主決策，優(yōu)化數(shù)據(jù)收集、分析和響應(yīng)，而無需人工干預(yù)。 人工智能傳感器不僅可以獲取數(shù)據(jù)，還可以在本地處理和解釋數(shù)據(jù)，從而減少延遲并實(shí)現(xiàn)更快、更精確的實(shí)時(shí)決策。此功能在快速響應(yīng)至關(guān)重要的場(chǎng)景中尤其有價(jià)值，例如工業(yè)自動(dòng)化、智能城市和環(huán)境監(jiān)測(cè)。 在智慧城市中，人工智能傳感器網(wǎng)絡(luò)將負(fù)責(zé)交通管理、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和能源使用優(yōu)化，從而促進(jìn)更可持續(xù)、更高效的城市環(huán)境的發(fā)展。在工業(yè)環(huán)境中，這些網(wǎng)絡(luò)將改善過程控制、預(yù)測(cè)性維護(hù)和質(zhì)量保證，從而提高生產(chǎn)力并減少停機(jī)時(shí)間。 人工智能與傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將在環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然災(zāi)害和環(huán)境危害的實(shí)時(shí)響應(yīng)。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，它與傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合將創(chuàng)造出不僅更智能，而且適應(yīng)性更強(qiáng)、響應(yīng)動(dòng)態(tài)條件的系統(tǒng)。這種協(xié)同作用將增強(qiáng)我們以前所未有的精度和速度監(jiān)測(cè)和管理環(huán)境挑戰(zhàn)的能力，最終提高我們面對(duì)環(huán)境威脅的準(zhǔn)備和恢復(fù)能力。 傳感器技術(shù)的快速創(chuàng)新是由全球持續(xù)不斷的研發(fā)努力推動(dòng)的。研究人員不斷探索新材料、新方法和新技術(shù)，以突破傳感器所能實(shí)現(xiàn)的極限。

結(jié)論

傳感器技術(shù)的未來充滿了令人興奮的可能性，它將重新定義行業(yè)并改善生活質(zhì)量。到 2030 年，精度、能效、量子集成、生物相容性和 AI 驅(qū)動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的進(jìn)步將推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新。 持續(xù)的研究和開發(fā)工作為這些進(jìn)步鋪平了道路，確保傳感器能夠繼續(xù)發(fā)展以滿足日益互聯(lián)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的世界的需求。未來十年對(duì)于傳感器技術(shù)來說是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代，因?yàn)樗鼘⒗^續(xù)發(fā)展并以曾經(jīng)難以想象的方式塑造未來。 參考文獻(xiàn)

Hou,K.M.et al.2023). Trends and Challenges in AIoT/IIoT/IoT Implementation.Sensors,23(11), 5074.DOI:10.3390/s23115074.https://www.mdpi.com/1424-8220/23/11/5074

Tyagi,D.et al.(2020). Recent advances in two-dimensional-material-based sensing technology toward health and environmental monitoring applications.Nanoscale,12(6), 3535–3559.DOI:10.1039/c9nr10178k.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/c9nr10178k

Mishu,M.K.et al.(2020). Prospective Efficient Ambient Energy Harvesting Sources for IoT-Equipped Sensor Applications.Electronics,9(9), 1345.DOI:10.3390/electronics9091345.https://www.mdpi.com/2079-9292/9/9/1345

Krelina,M. (2021). Quantum technology for military applications.EPJ Quantum Technology,8(1).DOI:10.1140/epjqt/s40507-021-00113-y.https://epjqt.epj.org/articles/epjqt/abs/2021/01/40507_2021_Article_113/40507_2021_Article_113.html

Liu,G.et al.(2023). Biocompatible Material‐Based Flexible Biosensors: From Materials Design to Wearable/Implantable Devices and Integrated Sensing Systems.Small.DOI:10.1002/smll.202207879.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202207879

Sharma,A.et al.(2022). Recent Trends in AI-Based Intelligent Sensing.Electronics,11(10), 1661.DOI:10.3390/electronics11101661.https://www.mdpi.com/2079-9292/11/10/1661

Petrenko,M.V.et al.(2022). Quantum optical magnetic field sensor for neurodiagnostic systems of a new generation.Quantum Electronics,52(2), 119–126.DOI:10.1070/qel17978.https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL17978

Yi,Q.et al.(2021). All‐3D‐Printed, Flexible, and Hybrid Wearable Bioelectronic Tactile Sensors Using Biocompatible Nanocomposites for Health Monitoring.Advanced Materials Technologies. DOI:10.1002/admt.202101034.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.202101034

審核編輯 黃宇