加快打造原始创新策源地,加快突破关键核心技术,努力抢占科技制高点,为把我国建设成为世界科技强国作出新的更大的贡献。

——习近平总书记在致中国科学院建院70周年贺信中作出的“两加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

——中国科学院办院方针

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褚君浩:智能“传感”,“感知”天下

2024-01-29 人民日报海外版
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语音播报

作者褚君浩肖像画。张武昌绘

如果把智能系统比作“人”,那么传感器就是“人”的感觉器官。不同类型的传感器,感知周围环境并把数据传递给系统进行计算,对情况进行实时分析、判断和应对。随着数字化智能化不断深入,各式各样传感器的用武之地大为拓宽,为人类创造美好生活发挥着巨大作用。

一部智能手机里有上百个传感器:有用于摄像的CMOS图像传感器,有用于检查环境明暗的环境光传感器,还有用于导航的地磁传感器、陀螺仪……正是基于这些传感器,手机里的各种应用软件才能流畅工作,手机才能成为集工作、生活、娱乐于一体的便携式智能设备,带来人们生活方式的巨大变化。风云卫星上的可见和红外光电传感器,能够不分昼夜地获取大气信息,精准预测天气,甚至在月球上、火星上都有传感器工作,帮助人类探索宇宙奥秘。

超越感官

传感器是信息系统的“慧眼”。它就像人类的眼睛、耳朵、皮肤等器官一样,感知周围环境,帮助我们认识多姿多彩的世界。不同之处在于,传感器比人的感官更敏锐、更强大??凸凼澜缢男畔⒍嘌潭?,远远超出我们感官的能力范围。人的眼睛无法观察红外辐射和紫外辐射,耳朵听不见次声波和超声波,对于“不见踪影”却时刻产生影响的磁场也无法感知。这些超出感官范围的信息,传感器都能“感受”到。

随着生产力发展,人类越来越需要全方位地感知世界。1821年,科学家利用材料因温差产生电压的原理,研制出世界上第一个传感器——温度传感器。最初,人们直接利用光、热、电、力、磁等物理效应制备各种传感器,这些传感器尺寸大、灵敏度低、使用不方便。上世纪70年代,出现了将敏感元件与信号电路进行一体化设计的集成传感器,如热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。这类传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成,输出模拟信号。上世纪末开始,数字化传感器快速发展,通过“模拟/数字”转换???,实现数字信号输出。数字化传感器集成智能化处理单元,可以自动采集、处理数据,并能根据环境自动调整工作参数,数码相机中的光敏元件就是其代表产品。

总的来说,传感器的工作原理是某些物质的电学特性会随环境因素变化。例如铂在不同温度下电阻率不同,硅在可见光照射下电阻会减小,石英受到压力后表面会产生电荷。利用电阻与温度的对应关系,可以制成温度传感器,进一步给敏感元件添加隔热结构,依据敏感元件温度变化与红外辐射能量之间的关系,可以制成红外传感器。在此基础上,还可以根据目标温度与红外辐射能量之间的关系,制造出非接触测温传感器。人们熟悉的用来测量体温的额温枪就利用了这一原理。借助丰富的物理和化学效应,人们制备出灵敏度比狗鼻子高1000倍、可以“闻到”气体分子的“电子鼻”,以及可以在黑夜中观察物体的红外相机等种类丰富、功能强大的传感器。

奠基智能化

数字化是对事物属性的量化,并用数字将其表达为抽象结果。借助现代信息技术,人们可以存储、处理、传播各种数字化信息。传感器可以将事物蕴含的各种信息转换成电信号,并利用数模转换电路将电信号用数字表达,是数字化的有效工具。当你拿出手机拍照片或视频时,光敏传感器会将接收的光强度信号转换成电信号,再按一定的规则用数字表达、存储,最终形成手机屏幕上的影像。

数字化基于传感器获取信息。数字化系统需要处理的信息量非常庞大,仅靠人工或者传统设备无法获取,凭借传感器则能够实时、高效、精准、快速地获取,于是有了城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。利用各类传感器,人们可以召开远程会议、学习网络课程、扫码支付甚至直播带货,由此发展出数字经济业态。数字经济涉及的云计算、物联网、人工智能、5G通信等各类技术,都与传感器息息相关。

没有传感器就没有数字化和智能化。传感器是智能化系统的第一关,它的水平决定了智能化系统及其仪器设备的水平。传感器技术已经成为国际上信息高端器件领域的研究前沿,在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等领域均发挥着不可替代的作用。比如一辆汽车会安装压力、温度、位置、声音、光、电等超过100种传感器,由车载电脑进行处理,帮助驾驶员作出判断。对数据的智能化分析降低了驾驶汽车的难度,让汽车变得更安全、更好开。而且,无人驾驶汽车通过传感器实时获取道路信息,一旦发现障碍物,便通过智慧分析及时避让。城市中高楼大厦、桥梁、隧道等建筑,也需要通过视频、温度、压力和烟雾等传感器实时监控安全状况,当数据汇总到一起,智能化系统便会及时分析,提炼出少量关键信息供使用者作出决策。甚至在未来,人类的感官也可以借助传感器变得更加强大,构建起智能化系统。

开拓新场景

当前,各类传感器都处在进一步提升性能、降低成本,向数字化、智能化、小型化微型化、绿色低碳、可穿戴等方向进化,呈现出蓬勃发展态势。其中,智能传感器、柔性传感器、新原理传感器的研发具有代表性意义,有望塑造新的工作生活方式。

发展智能传感器是重要趋势。借助智能传感技术,人们设计制造出具备获取、存储、分析信息功能的各种传感单元及微系统,实现低成本、高精度信息采集。智能传感器广泛应用在机器人、无人驾驶、智能制造、运动定量监测等方面,还可用于开发无创或微创健康监测器件等。近年来流行的动态血糖仪是个很好的例子。糖尿病患者将柔性传感器无痛置入身体,传感器每5分钟测一次血糖值,并传送到手机应用中?;颊呖梢怨鄄煅乔弑浠?,及时通过饮食和运动等方法调节血糖,有的患者甚至由此告别了药物和胰岛素治疗。此外,人们还在研发可降解电子器件,让智能传感器更好助力低碳环保生活。

发展柔性传感器是另一趋势。许多应用场景要求传感器制备在柔性基质材料上,并具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。目前制备柔性传感器的常用传感材料有碳基材料(炭黑、碳纳米管和石墨烯等)、金属纳米材料(金属纳米线、金属纳米颗粒等)、高分子聚合物和蛋白纤维等。例如一种具有可拉伸、抗撕裂和自我修复能力的交联超分子聚合物薄膜电极材料,可用于制造下一代可穿戴和植入式柔性电子器件。将集成多功能的柔性传感器与柔性印制电路结合,可以制成“智能带”,把它穿戴在身体的不同部位,可实时监测与分析生理信息,帮助人们特别是感官退化的群体了解自身健康状况。

新原理传感器也在不断出现。在基础研究领域,新的规律陆续被发现,人们正利用这些科学新认知制备传感器。同时,技术进步也对基础研究提出新要求。在生活中,人们希望提高相机的像素、灵敏度、速度等性能参数;在高速实验中,需要可以记录飞秒尺度信息的条纹相机;在量子通信中,需要灵敏度达到单光子的光电探测器;在空天科技中,需要实现对高速运动物体和冷目标的探测,等等。这就要求科学家们进一步探索物理世界,发现新现象新规律,提升传感器性能。

随着科技快速发展,新材料新工艺不断投入应用,性能更强、种类更丰富、智能化水平更高的传感器将创造更多工作生活新场景,帮助人们“感受”美好生活。

(作者:褚君浩,系中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员)

打印 责任编辑:梁春雨

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