智能“傳感”，“感知”天下

 智能“傳感”，“感知”天下

如果把智能系統(tǒng)比作“人”，那么傳感器就是“人”的感覺器官。不同類型的傳感器，感知周圍環(huán)境并把數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)進(jìn)行計算，對情況進(jìn)行實時分析、判斷和應(yīng)對。隨著數(shù)字化智能化不斷深入，各式各樣傳感器的用武之地大為拓寬，為人類創(chuàng)造美好生活發(fā)揮著巨大作用。

一部智能手機(jī)里有上百個傳感器：有用于攝像的CMOS圖像傳感器，有用于檢查環(huán)境明暗的環(huán)境光傳感器，還有用于導(dǎo)航的地磁傳感器、陀螺儀……正是基于這些傳感器，手機(jī)里的各種應(yīng)用軟件才能流暢工作，手機(jī)才能成為集工作、生活、娛樂于一體的便攜式智能設(shè)備，帶來人們生活方式的巨大變化。風(fēng)云衛(wèi)星上的可見和紅外光電傳感器，能夠不分晝夜地獲取大氣信息，精準(zhǔn)預(yù)測天氣，甚至在月球上、火星上都有傳感器工作，幫助人類探索宇宙奧秘。

超越感官

傳感器是信息系統(tǒng)的“慧眼”。它就像人類的眼睛、耳朵、皮膚等器官一樣，感知周圍環(huán)境，幫助我們認(rèn)識多姿多彩的世界。不同之處在于，傳感器比人的感官更敏銳、更強大�？陀^世界所包含的信息多樣程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們感官的能力范圍。人的眼睛無法觀察紅外輻射和紫外輻射，耳朵聽不見次聲波和超聲波，對于“不見蹤影”卻時刻產(chǎn)生影響的磁場也無法感知。這些超出感官范圍的信息，傳感器都能“感受”到。

隨著生產(chǎn)力發(fā)展，人類越來越需要全方位地感知世界。1821年，科學(xué)家利用材料因溫差產(chǎn)生電壓的原理，研制出世界上第一個傳感器——溫度傳感器。最初，人們直接利用光、熱、電、力、磁等物理效應(yīng)制備各種傳感器，這些傳感器尺寸大、靈敏度低、使用不方便。上世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了將敏感元件與信號電路進(jìn)行一體化設(shè)計的集成傳感器，如熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。這類傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，輸出模擬信號。上世紀(jì)末開始，數(shù)字化傳感器快速發(fā)展，通過“模擬/數(shù)字”轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)數(shù)字信號輸出。數(shù)字化傳感器集成智能化處理單元，可以自動采集、處理數(shù)據(jù)，并能根據(jù)環(huán)境自動調(diào)整工作參數(shù)，數(shù)碼相機(jī)中的光敏元件就是其代表產(chǎn)品。

總的來說，傳感器的工作原理是某些物質(zhì)的電學(xué)特性會隨環(huán)境因素變化。例如鉑在不同溫度下電阻率不同，硅在可見光照射下電阻會減小，石英受到壓力后表面會產(chǎn)生電荷。利用電阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系，可以制成溫度傳感器，進(jìn)一步給敏感元件添加隔熱結(jié)構(gòu)，依據(jù)敏感元件溫度變化與紅外輻射能量之間的關(guān)系，可以制成紅外傳感器。在此基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)目標(biāo)溫度與紅外輻射能量之間的關(guān)系，制造出非接觸測溫傳感器。人們熟悉的用來測量體溫的額溫槍就利用了這一原理。借助豐富的物理和化學(xué)效應(yīng)，人們制備出靈敏度比狗鼻子高1000倍、可以“聞到”氣體分子的“電子鼻”，以及可以在黑夜中觀察物體的紅外相機(jī)等種類豐富、功能強大的傳感器。

奠基智能化

數(shù)字化是對事物屬性的量化，并用數(shù)字將其表達(dá)為抽象結(jié)果。借助現(xiàn)代信息技術(shù)，人們可以存儲、處理、傳播各種數(shù)字化信息。傳感器可以將事物蘊含的各種信息轉(zhuǎn)換成電信號，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將電信號用數(shù)字表達(dá)，是數(shù)字化的有效工具。當(dāng)你拿出手機(jī)拍照片或視頻時，光敏傳感器會將接收的光強度信號轉(zhuǎn)換成電信號，再按一定的規(guī)則用數(shù)字表達(dá)、存儲，最終形成手機(jī)屏幕上的影像。

數(shù)字化基于傳感器獲取信息。數(shù)字化系統(tǒng)需要處理的信息量非常龐大，僅靠人工或者傳統(tǒng)設(shè)備無法獲取，憑借傳感器則能夠?qū)崟r、高效、精準(zhǔn)、快速地獲取，于是有了城市大數(shù)據(jù)、天氣大數(shù)據(jù)、醫(yī)療大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)等。利用各類傳感器，人們可以召開遠(yuǎn)程會議、學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)課程、掃碼支付甚至直播帶貨，由此發(fā)展出數(shù)字經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)涉及的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G通信等各類技術(shù)，都與傳感器息息相關(guān)。

沒有傳感器就沒有數(shù)字化和智能化。傳感器是智能化系統(tǒng)的第一關(guān)，它的水平?jīng)Q定了智能化系統(tǒng)及其儀器設(shè)備的水平。傳感器技術(shù)已經(jīng)成為國際上信息高端器件領(lǐng)域的研究前沿，在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等領(lǐng)域均發(fā)揮著不可替代的作用。比如一輛汽車會安裝壓力、溫度、位置、聲音、光、電等超過100種傳感器，由車載電腦進(jìn)行處理，幫助駕駛員作出判斷。對數(shù)據(jù)的智能化分析降低了駕駛汽車的難度，讓汽車變得更安全、更好開。而且，無人駕駛汽車通過傳感器實時獲取道路信息，一旦發(fā)現(xiàn)障礙物，便通過智慧分析及時避讓。城市中高樓大廈、橋梁、隧道等建筑，也需要通過視頻、溫度、壓力和煙霧等傳感器實時監(jiān)控安全狀況，當(dāng)數(shù)據(jù)匯總到一起，智能化系統(tǒng)便會及時分析，提煉出少量關(guān)鍵信息供使用者作出決策。甚至在未來，人類的感官也可以借助傳感器變得更加強大，構(gòu)建起智能化系統(tǒng)。

開拓新場景

當(dāng)前，各類傳感器都處在進(jìn)一步提升性能、降低成本，向數(shù)字化、智能化、小型化微型化、綠色低碳、可穿戴等方向進(jìn)化，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢。其中，智能傳感器、柔性傳感器、新原理傳感器的研發(fā)具有代表性意義，有望塑造新的工作生活方式。

發(fā)展智能傳感器是重要趨勢。借助智能傳感技術(shù)，人們設(shè)計制造出具備獲取、存儲、分析信息功能的各種傳感單元及微系統(tǒng)，實現(xiàn)低成本、高精度信息采集。智能傳感器廣泛應(yīng)用在機(jī)器人、無人駕駛、智能制造、運動定量監(jiān)測等方面，還可用于開發(fā)無創(chuàng)或微創(chuàng)健康監(jiān)測器件等。近年來流行的動態(tài)血糖儀是個很好的例子。糖尿病患者將柔性傳感器無痛置入身體，傳感器每5分鐘測一次血糖值，并傳送到手機(jī)應(yīng)用中�；颊呖梢杂^察血糖曲線變化，及時通過飲食和運動等方法調(diào)節(jié)血糖，有的患者甚至由此告別了藥物和胰島素治療。此外，人們還在研發(fā)可降解電子器件，讓智能傳感器更好助力低碳環(huán)保生活。

發(fā)展柔性傳感器是另一趨勢。許多應(yīng)用場景要求傳感器制備在柔性基質(zhì)材料上，并具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點。目前制備柔性傳感器的常用傳感材料有碳基材料（炭黑、碳納米管和石墨烯等）、金屬納米材料（金屬納米線、金屬納米顆粒等）、高分子聚合物和蛋白纖維等。例如一種具有可拉伸、抗撕裂和自我修復(fù)能力的交聯(lián)超分子聚合物薄膜電極材料，可用于制造下一代可穿戴和植入式柔性電子器件。將集成多功能的柔性傳感器與柔性印制電路結(jié)合，可以制成“智能帶”，把它穿戴在身體的不同部位，可實時監(jiān)測與分析生理信息，幫助人們特別是感官退化的群體了解自身健康狀況。

新原理傳感器也在不斷出現(xiàn)。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，新的規(guī)律陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，人們正利用這些科學(xué)新認(rèn)知制備傳感器。同時，技術(shù)進(jìn)步也對基礎(chǔ)研究提出新要求。在生活中，人們希望提高相機(jī)的像素、靈敏度、速度等性能參數(shù)；在高速實驗中，需要可以記錄飛秒尺度信息的條紋相機(jī)；在量子通信中，需要靈敏度達(dá)到單光子的光電探測器；在空天科技中，需要實現(xiàn)對高速運動物體和冷目標(biāo)的探測，等等。這就要求科學(xué)家們進(jìn)一步探索物理世界，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象新規(guī)律，提升傳感器性能。

隨著科技快速發(fā)展，新材料新工藝不斷投入應(yīng)用，性能更強、種類更豐富、智能化水平更高的傳感器將創(chuàng)造更多工作生活新場景，幫助人們“感受”美好生活。

（褚君浩 作者為中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員）