傳感器與智能時代

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）

機械化、電氣化和信息化分別引領(lǐng)了前三次工業(yè)革命。當前的信息技術(shù)還在進一步深化發(fā)展，信息技術(shù)與各個領(lǐng)域的各種技術(shù)深度交叉融合，科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)發(fā)明、再到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化周期愈益縮短，科學(xué)規(guī)律、技術(shù)發(fā)明、產(chǎn)業(yè)發(fā)展三者密切結(jié)合、相互促進，科學(xué)技術(shù)也對生產(chǎn)方式、生活方式和思維方式等產(chǎn)生新影響。那么第四次工業(yè)革命會是什么？大家都在探討能否用一個“什么化”來描述它。也許新工業(yè)革命的核心就是“智能化”。

傳感器在智能時代的應(yīng)用

智能化最重要的特點就是將智慧融入到物理（實體）系統(tǒng)中。這個物理系統(tǒng)可以是一個能源系統(tǒng)，可以是一個學(xué)校、一個家庭，或是一臺機器，如無人汽車、無人飛機、機器人、智能制造、導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、智慧城市、智慧醫(yī)療、人工智能等等。智能化系統(tǒng)有三個要素：動態(tài)感知、智慧識別和自動反應(yīng)。條形碼、二維碼是靜態(tài)信息，動態(tài)感知就需要依靠傳感器來感知變化，然后依靠大數(shù)據(jù)和物理模型進行智慧分析和識別，并做出判斷和自動反應(yīng)，即智能系統(tǒng)包括兩個核心技術(shù)：實時感知技術(shù)（傳感器）和智慧分析技術(shù)（大數(shù)據(jù)分析和模型分析）?？梢钥闯觯瑐鞲衅鲗τ谛畔崟r獲取來說特別重要，它可以代替人的五官感知并獲得信息。那么傳感器是什么？

傳感器是能感受到外部環(huán)境變化，并做出類似人類反應(yīng)的器件或裝置。傳感器的發(fā)明讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，它可以代替我們的眼睛、耳朵、鼻子、舌頭和皮膚。沒有生命的機器變得像人類一樣有感知，精確、自動地執(zhí)行各種功能。如今，傳感器的應(yīng)用已深入到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、通信、國防科技和人們的日常生活中。各式各樣的傳感器已經(jīng)對人類產(chǎn)生了不可或缺的影響，未來也將越來越多地影響人類活動。根據(jù)傳感器的基本感知功能可分為光傳感器、電傳感器、磁傳感器、熱傳感器、聲傳感器、機械傳感器等。其中，不同的傳感器可以用不同的材料來做，如用鐵電薄膜、氧化釩等材料做成的傳感器通常在室溫下工作，成本低但靈敏度不高；用半導(dǎo)體材料做成的傳感器靈敏度很高。半導(dǎo)體硅材料可以制備成可見光傳感器，半導(dǎo)體碲鎘汞材料可以制備成紅外傳感器。

將不同波長的光通過用凝聚態(tài)物質(zhì)做的器件轉(zhuǎn)化為電可以做成光電傳感器，比如太陽能電池，紅外探測器等等。我們平時接觸到的光是可見光，手機、攝像頭一般用的是可見光傳感器。但是人體可以發(fā)出紅外光，因為人會發(fā)熱，這樣的熱紅外輻射用眼睛是看不見的，如果在手機上裝一個紅外傳感器，就可以得到一幅紅外像，其中溫度高的地方偏紅，溫度低的地方偏藍。這樣的傳感器只需用靈敏度一般的傳感器即可，但在航天航空領(lǐng)域，如我國成功發(fā)射的“風(fēng)云四號”氣象衛(wèi)星上就安裝了高靈敏度的航空遙感光電器件——靜止軌道干涉式垂直探測儀器，依靠這個紅外的“眼睛”可在36 000公里范圍內(nèi)對大氣實現(xiàn)高精度溫度、濕度參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)觀測，相當于對大氣進行CT掃描，從而可以獲得實時、動態(tài)、精確的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前，我國在這方面已達到國際領(lǐng)先水平。由此可以看出，不同功能的傳感器可用在不同的領(lǐng)域。目前，光電傳感器主要有以下三個方面的功能。

圖像功能 可以了解空間分布情況，如獲得可見光圖像，或是利用紅外傳感器在黑暗背景中識別目標。小區(qū)里的監(jiān)視儀一般用可見光傳感器，但到了晚上監(jiān)視效果就大打折扣，如果裝一個紅外傳感器的監(jiān)視儀便能解決這個問題。利用不同波長的傳感器拍出來的圖片是不一樣的，一個蘋果如果用可見光來看是個好蘋果，但如果用短波紅外來看就能發(fā)現(xiàn)里面有可能是爛的。美國打擊ISIS時就是利用紅外傳感器獲得圖像并精確定位的。美國利用“鎖眼”光學(xué)成像軍事偵查衛(wèi)星拍攝到了我國位于葫蘆島碼頭的兩艘094型核潛艇，當然，我國也有此方面的科技能力。2016年5月，中國長光衛(wèi)星公司公布了吉林一號A衛(wèi)星拍攝的美國海軍費城造船廠的圖片，不僅停泊在港內(nèi)的航母清晰可見，甚至飛行甲板結(jié)構(gòu)都能清晰辨認。太赫茲波（頻率在0.1 THz到10 THz范圍的電磁波）由于其獨特的優(yōu)點可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如機場安全檢測（如刀具、槍械、炸藥或毒品等）、醫(yī)學(xué)二維成像、食品檢測、雷達建模等。

熱像功能 可以了解溫度分布情況，如獲得醫(yī)用熱像圖——人體的溫度分布圖；工業(yè)熱像圖——火焰溫度分布圖，進行火情預(yù)警和監(jiān)控。還可以進行安全隱患排查：輸變電線路、電器火災(zāi)通常都是在電力線路中存在接觸不良等異常發(fā)熱情況時才會發(fā)生的，定期使用紅外熱像儀檢查電力管線可發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，降低電力線路老化發(fā)生火災(zāi)的可能性。未來還可以配備具有紅外攝像頭的滅火機器人等。

譜像功能 可以了解光譜分布情況，如獲得物質(zhì)材料的光譜特征并進行材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測與識別。不同物質(zhì)的光譜特征，如強度、波長、位相、偏振是不一樣的，可將各種物質(zhì)或材料的譜像建成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。如在尋找鈾礦時，利用飛機把區(qū)域內(nèi)每一點的成像光譜測出來，然后與數(shù)據(jù)庫比對，如有光譜與數(shù)據(jù)庫里鈾的光譜接近，可進一步探測這個區(qū)域有沒有鈾礦。“玉兔”號月球車上的紅外成像光譜儀可獲得月面的光譜，從而探測出月球表面的材料成分。還可以利用炸藥分子對特定聚合物的熒光淬滅效應(yīng)，研制炸藥探測儀用于安全檢查。

人類根據(jù)自己的感官系統(tǒng)發(fā)明了越來越多的傳感器

迎接新時代

當前，我國把科技創(chuàng)新擺在十分重要的位置，2016年中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》提出我國2020年進入創(chuàng)新型國家行列、2030年躋身創(chuàng)新型國家前列、2050年建成世界科技創(chuàng)新強國的“三步走”目標，一大批科技成果，如天宮、蛟龍、天眼、悟空、墨子、大飛機等也相繼問世。我們正在經(jīng)歷從信息化時代跨入智能化時代的一個奇點時期，這個時期會發(fā)生思想、理念和技術(shù)的躍遷，這個時期既發(fā)展迅速又充滿機遇，因此，我們一定要好好把握這樣的機會，做好充分的準備迎接智能化時代/新工業(yè)革命時代的到來。

為抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大機遇，全球各主要經(jīng)濟體紛紛制定相應(yīng)的戰(zhàn)略。如：美國的經(jīng)濟復(fù)蘇計劃和未來計劃，希望依靠科學(xué)技術(shù)開辟能源獨立的新路徑；歐盟的“地平線2020”規(guī)劃，一是為了提高歐洲基礎(chǔ)學(xué)科的研究水平，二是成為全球工業(yè)的領(lǐng)袖，在科研創(chuàng)新方面成長為更具吸引力的投資地區(qū)，三是應(yīng)對社會的挑戰(zhàn)，解決歐洲或其他地區(qū)公民共同關(guān)注的問題；德國的“2020高技術(shù)戰(zhàn)略”，確立了氣候/能源、衛(wèi)生、交通、安全和通信5個主導(dǎo)領(lǐng)域，營造創(chuàng)新友好的環(huán)境；日本明確提出以“結(jié)構(gòu)改革促經(jīng)濟發(fā)展”的方式來解決危機，支持清潔能源、節(jié)能技術(shù)，促進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、保持在節(jié)能方面的優(yōu)勢地位。

縱觀這些經(jīng)濟體近年來的科技發(fā)展計劃，這些計劃都：明確提出重點發(fā)展領(lǐng)域，以培養(yǎng)未來競爭優(yōu)勢；對未來技術(shù)開展系統(tǒng)性研究和技術(shù)預(yù)見、提出關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，引導(dǎo)合作研發(fā)；制定明確的社會發(fā)展目標，總體考核相關(guān)領(lǐng)域的科技發(fā)展績效。通過技術(shù)預(yù)見引導(dǎo)、社會考核標準督促、多方合作研發(fā)共同構(gòu)建新工業(yè)革命在關(guān)鍵技術(shù)和重點產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展框架，這些都值得我國借鑒。

我國政府也應(yīng)該采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，如：做好推進新工業(yè)革命的頂層設(shè)計；積極投資新工業(yè)革命所需的重要基礎(chǔ)設(shè)施；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)培育體系，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新；推動適應(yīng)新工業(yè)革命所需的機制體制建設(shè)。同時，也要構(gòu)建適應(yīng)科技發(fā)展新特征的科技創(chuàng)新體系：走通“科學(xué)規(guī)律”-“核心技術(shù)”-“產(chǎn)業(yè)發(fā)展”的三部曲，加強應(yīng)用基礎(chǔ)研究和核心技術(shù)研發(fā)，實施知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略；加強實驗室成果的中試研發(fā)，企業(yè)提早介入，政府分擔(dān)風(fēng)險；加強產(chǎn)學(xué)研合作，政府引導(dǎo)和支持建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合實驗室、聯(lián)合研發(fā)中心；提高企業(yè)的自主創(chuàng)新意識，增強自主創(chuàng)新能力。