褚君浩院士：傳感器，讓我們的敏感神經(jīng)更敏感

褚君浩，中國科學(xué)院院士，紅外物理學(xué)家、半導體物理和器件專(zhuān)家，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員，東華大學(xué)理學(xué)院院長(cháng)。他是我國培養的第一個(gè)紅外物理博士，從20世紀70年代末開(kāi)始，他就專(zhuān)注于紅外探測器的研究，并與湯定元、徐世秋兩位科學(xué)家研究了一種全新的半導體材料，創(chuàng )造性地提出了測算這種材料特性的公式，該公式最終以三位中國科學(xué)家的名字命名，被稱(chēng)為CXT公式，成為判斷紅外探測器新材料、新結構的參照標準。他的專(zhuān)著(zhù)《窄禁帶半導體物理學(xué)》，被國外20多個(gè)研究機構作為相關(guān)材料和器件研究的理論依據。

智能時(shí)代，傳感器無(wú)處不在。傳感器與計算機、通信被稱(chēng)為信息系統的三大支柱，成為衡量一個(gè)國家科技水平以及是否處在國際戰略競爭制高點(diǎn)的一個(gè)重要標志。各種機器設備中的傳感器就相當于人類(lèi)的五官和神經(jīng)系統，它們讓機器能聽(tīng)、能聞、能看，從而更好地感知、學(xué)習和進(jìn)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(chǎng)長(cháng)期被美國、日本、德國的企業(yè)占據，我國科學(xué)家如何才能在這一領(lǐng)域拼出一席之地？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，傳感器就是用材料經(jīng)過(guò)一定的設計，做成的一個(gè)器件，取代耳朵、鼻子、舌頭、眼睛、皮膚的功能。它能夠看得見(jiàn)、聽(tīng)得見(jiàn)，能夠聞得出味道，能夠感知到。它可以比人類(lèi)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(guò)人類(lèi)的五官，能夠聽(tīng)得到很遠的聲音，能夠看得見(jiàn)紅外光。

日常生活當中傳感器非常多，最敏感的一個(gè)傳感器大家可能沒(méi)注意：你把手機靠近耳朵的時(shí)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(huà)，這就是手機傳感器在起作用。手機里面傳感器最多，而且都很小、很靈敏?，F在傳感器的發(fā)展趨勢就是高精度、高靈敏、高速響應、高穩定性、高可靠性、微型化、柔性化、多功能集成化、數字化、智能化、無(wú)線(xiàn)通信化，另外還要綠色環(huán)保。

沒(méi)有傳感器就無(wú)法數字化

2019年，嫦娥四號探測器成功著(zhù)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構。嫦娥四號的著(zhù)陸器上還安裝了4個(gè)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(lèi)首次實(shí)現在月球背面對月壤溫度進(jìn)行原位測量。我們進(jìn)入了一個(gè)智能化的時(shí)代，上至宇宙探索，下至日常生活，數字技術(shù)已經(jīng)滲透到方方面面，農業(yè)測產(chǎn)、荒野探礦、太空探月都離不開(kāi)傳感器，傳感器信息采集功能的重要性也因此越來(lái)越凸顯。物聯(lián)天下，傳感先行，無(wú)論是“大數據”“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(jìn)行數據的采集、存儲、計算？

智能時(shí)代的最大特點(diǎn)就是智能化系統的運用。智能化系統有三大支柱：動(dòng)態(tài)感知、智慧識別、自動(dòng)反應控制。比如機器人能夠把乒乓球打到，首先是動(dòng)態(tài)感知，看到這個(gè)球怎么過(guò)來(lái)；其次要分析這個(gè)球會(huì )從哪里進(jìn)來(lái)，這是智慧分析；然后它采取措施，打到這個(gè)球。智能化系統最后的出路就是推動(dòng)人工智能、智慧地球、數字城市的建設。這個(gè)系統最大的核心就是數字化，因為只有數字化才能定量化、精準化、規律化、智慧化，最后促進(jìn)數字經(jīng)濟的發(fā)展。

數字經(jīng)濟的“數字”從哪里來(lái)？就是靠傳感器來(lái)的，所以傳感器是大數據的源頭。數據有兩類(lèi)：一類(lèi)是文本大數據，另一類(lèi)是物理大數據。物理大數據是靠傳感器實(shí)時(shí)獲得的，這類(lèi)數據好多都是聲、光等類(lèi)型的，它們屬于一個(gè)波動(dòng)世界。這個(gè)波動(dòng)世界里面的數據量特別大，一個(gè)波有振幅、有位相、有頻率，還有偏振等等，再加上時(shí)間、空間等海量的大數據，就可以告訴我們好多信息，然后對這些信息進(jìn)行分析。

傳感器和物聯(lián)網(wǎng)是智慧地球、智慧城市兩個(gè)核心技術(shù)。智慧分析就是從大數據分析出一些我們所需要的信息?，F在浙江省義烏市有一座大橋里面安裝了好多傳感器，通過(guò)傳感器看它里面振動(dòng)的應力波形，不同的車(chē)輛開(kāi)過(guò)去波形都會(huì )有變化。如果有一天發(fā)現應力情況異常，就會(huì )報警。

傳感器是支撐智能化最重要的“一條腿”。無(wú)線(xiàn)通信接收信號要靠傳感器，通信衛星主要就是****和接收，接收需要傳感器，沒(méi)有傳感器，通信就中斷了，后面的智能化更無(wú)法實(shí)現?？梢哉f(shuō)沒(méi)有傳感器，就沒(méi)有智能時(shí)代；沒(méi)有傳感器，也沒(méi)有信息化時(shí)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(gè)傳感器，一部汽車(chē)更是有多達上百個(gè)各類(lèi)傳感器。無(wú)處不在的傳感器，已經(jīng)成為全世界最具發(fā)展潛力的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。但是，目前全球2萬(wàn)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(mǎn)足國內市場(chǎng)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(jìn)口占比高達80%，傳感器芯片進(jìn)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(kāi)自己的一片天地？

傳感器國內一般來(lái)說(shuō)都能制造，在一般的應用上面也都適用，但是在高端應用、精細應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《Landoldt Boerstein》，這本科學(xué)手冊，到現在已經(jīng)有140年歷史了，它每隔10年到15年要修訂一次，我就是負責碲鎘汞材料修訂的作者負責人，因為在這個(gè)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(gè)資格來(lái)承擔這項工作。

發(fā)展傳感器，我國過(guò)去有一個(gè)弊端，就是買(mǎi)得到自己就不做了，但是紅外探測器高端的買(mǎi)不到，就只能自己做，我們反而做出來(lái)了。其實(shí)在有些核心的關(guān)鍵領(lǐng)域還是要自立自強。我們現在好多企業(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，這就是當前傳感器發(fā)展的趨勢。

智能時(shí)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(wú)人機捕獲實(shí)時(shí)圖像，為消防員實(shí)現精確定點(diǎn)撲救提供了重要支持。這其實(shí)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(shuō)，互聯(lián)網(wǎng)是人們用來(lái)進(jìn)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(guò)傳感器、紅外等各種感知設備，將信息傳送到接收器，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程監視、自動(dòng)報警、控制、診斷和維護。如今，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛應用在智慧城市、智慧醫療、智慧農業(yè)等眾多領(lǐng)域，而傳感器作為智能時(shí)代的“橋梁”，在各個(gè)領(lǐng)域智慧建設中已不可或缺。未來(lái)，傳感器在智慧城市、智慧醫療、智慧農業(yè)等領(lǐng)域還能起到怎樣的作用？

江蘇無(wú)錫有一家公司，在公司每個(gè)區域里所有的轉動(dòng)部分都安裝了傳感器，這樣在辦公室里可以監控所有的電梯、馬達是否正常。如果哪個(gè)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。

現在抑郁癥很多，還有一些小孩患抑郁癥，抑郁癥當然有多種識別方法，也可以做成一個(gè)小的設備，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用。如果我們人體里面都有傳感器，比如口袋里放個(gè)心臟傳感器，心電圖隨時(shí)可以拿到，如果一個(gè)人心臟有點(diǎn)不舒服了，跟醫生打個(gè)電話(huà)，說(shuō)我現在心臟不舒服，或者發(fā)條微信給他，這個(gè)是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用；但如果這個(gè)傳感器的信號直接送到分析中心，分析中心就能夠根據GPS定位知道人在什么位置，馬上通知相關(guān)機構采取措施，這就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人類(lèi)健康上面大有用處。

人類(lèi)現在要進(jìn)入智能時(shí)代，智能時(shí)代的最大特點(diǎn)就是智能化系統的運用，智能化系統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(shí)代的背景下，我們要努力打造敏感神經(jīng)，通過(guò)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(jìn)數字經(jīng)濟的發(fā)展和城市數字化轉型，最終提升人們的生活水平。

來(lái)源：紅外新聞