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褚君浩:传感器与智能时代

发布时间:2018-09-11 发布来源:上海市科学学研究所

  传感器在智能时代的应用
  
  智能化最重要的特点就是将智慧融入到物理(实体)系统中。这个物理系统可以是一个能源系统,可以是一个学校、一个家庭,或是一台机器,如无人汽车、无人飞机、机器人、智能制造、导弹防御系统、智慧城市、智慧医疗、人工智能等等。智能化系统有三个要素:动态感知、智慧识别和自动反应。条形码、二维码是静态信息,动态感知就需要依靠传感器来感知变化,然后依靠大数据和物理模型进行智慧分析和识别,并做出判断和自动反应,即智能系统包括两个核心技术:实时感知技术(传感器)和智慧分析技术(大数据分析和模型分析)。可以看出,传感器对于信息实时获取来说特别重要,它可以代替人的五官感知并获得信息。那么传感器是什么?
  
  传感器是能感受到外部环境变化,并做出类似人类反应的器件或装置。传感器的发明让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,它可以代替我们的眼睛、耳朵、鼻子、舌头和皮肤。没有生命的机器变得像人类一样有感知,精确、自动地执行各种功能。如今,传感器的应用已深入到工农业生产、医疗、通信、国防科技和人们的日常生活中。各式各样的传感器已经对人类产生了不可或缺的影响,未来也将越来越多地影响人类活动。根据传感器的基本感知功能可分为光传感器、电传感器、磁传感器、热传感器、声传感器、机械传感器等。其中,不同的传感器可以用不同的材料来做,比如用铁电薄膜、氧化钒等材料做成的传感器通常在室温下工作,成本低但灵敏度不高;但用半导体材料做成的传感器灵敏度很高。半导体硅材料可以制备成可见光传感器,半导体碲镉汞材料可以制备成红外传感器。
  
  人类根据自己的感官系统发明了越来越多的传感器
  
  光传感器的功能
  
  将不同波长的光通过用凝聚态物质做的器件转化为电,可以做成光电传感器,比如太阳能电池,红外探测器等等。我们平时接触到的光是可见光,手机、摄像头一般用的是可见光传感器。但是人体可以发出红外光,因为人会发热,这样的热红外辐射用眼睛是看不见的,如果在手机上装一个红外传感器,就可以得到一幅红外像,其中温度高的地方偏红,温度低的地方偏蓝。这样的传感器只需用灵敏度一般的传感器即可,但在航天航空领域,如我国成功发射的“风云四号”气象卫星上就安装了高灵敏度的航空遥感光电器件——静止轨道干涉式垂直探测仪器,依靠这个红外的“眼睛”可在36000公里范围内对大气实现高精度温度、湿度参数的垂直结构观测,相当于对大气进行CT扫描,从而可以获得实时、动态、精确的气象监测数据。目前,我国在这方面已达到国际领先水平。由此可以看出,不同功能的传感器可用在不同的领域。目前,光电传感器主要有以下三个方面的功能。
  
  ? 图像功能  可以了解空间分布情况,如获得可见光图像,或是利用红外传感器在黑暗背景中识别目标。小区里的监视仪一般用可见光传感器,但到了晚上监视效果就大打折扣,如果装一个红外传感器的监视仪便能解决这个问题。利用不同波长的传感器拍出来的图片是不一样的,一个苹果如果用可见光来看是个好苹果,但如果用短波红外来看就能发现里面有可能是烂的。美国打击ISIS时就是利用红外传感器获得图像并精确定位的。美国利用“锁眼”光学成像军事侦查卫星拍摄到了我国位于葫芦岛码头的两艘094型核潜艇,当然,我国也有此方面的科技能力。2016年5月,中国长光卫星公司公布了吉林一号A卫星拍摄的美国海军费城造船厂的图片,不仅停泊在港内的航母清晰可见,甚至飞行甲板结构都能清晰辨认。太赫兹波(频率在0.1 THz到10 THz范围的电磁波)由于其独特的优点可应用于诸多领域,如机场安全检测(如刀具、枪械、炸药或毒品等)、医学二维成像、食品检测、雷达建模等。
  
  ? 热像功能  可以了解温度分布情况,如获得医用热像图——人体的温度分布图;工业热像图——火焰温度分布图,进行火情预警和监控。还可以进行安全隐患排查:输变电线路、电器火灾通常都是在电力线路中存在接触不良等异常发热情况时才会发生的,定期使用红外热像仪检查电力管线可发现火灾隐患,降低电力线路老化发生火灾的可能性。未来还可以配备具有红外摄像头的灭火机器人等。
  
  ? 谱像功能  可以了解光谱分布情况,如获得物质材料的光谱特征并进行材料内部结构检测与识别。不同物质的光谱特征,如强度、波长、位相、偏振是不一样的,可将各种物质或材料的谱像建成相应的数据库。如在寻找铀矿时,利用飞机把区域内每一点的成像光谱测出来,然后与数据库比对,如有光谱与数据库里铀的光谱接近,可进一步探测这个区域有没有铀矿。“玉兔”号月球车上的红外成像光谱仪可获得月面的光谱,从而探测出月球表面的材料成分。还可以利用炸药分子对特定聚合物的荧光淬灭效应,研制炸药探测仪用于安全检查。
  
  迎接新时代
  
  当前,我国把科技创新摆在十分重要的位置,2016年中共中央、国务院印发的《国家创新驱动发展战略纲要》提出我国2020年进入创新型国家行列、2030年跻身创新型国家前列、2050年建成世界科技创新强国的“三步走”目标,一大批科技成果,如天宫、蛟龙、天眼、悟空、墨子、大飞机等也相继问世。我们正在经历从信息化时代跨入智能化时代的一个奇点时期,这个时期会发生思想、理念和技术的跃迁,这个时期既发展迅速又充满机遇,因此,我们一定要好好把握这样的机会,做好充分的准备迎接智能化时代/新工业革命时代的到来。
  
  为抓住新一轮科技革命和产业变革的重大机遇,全球各主要经济体纷纷制定相应的战略。如:美国的经济复苏计划和未来计划,希望依靠科学技术开辟能源独立的新路径;欧盟的“地平线2020”规划,一是为了提高欧洲基础学科的研究水平,二是成为全球工业的领袖,在科研创新方面成长为更具吸引力的投资地区,三是应对社会的挑战,解决欧洲或其他地区公民共同关注的问题;德国的“2020高技术战略”,确立了气候/能源、卫生、交通、安全和通信5个主导领域,营造创新友好的环境;日本明确提出以“结构改革促经济发展”的方式来解决危机,支持清洁能源、节能技术,促进能源结构转型、保持在节能方面的优势地位。
  
  纵观这些经济体近年来的科技发展计划,这些计划都:明确提出重点发展领域,以培养未来竞争优势;对未来技术开展系统性研究和技术预见、提出关键技术领域,引导合作研发;制定明确的社会发展目标,总体考核相关领域的科技发展绩效。通过技术预见引导、社会考核标准督促、多方合作研发共同构建新工业革命在关键技术和重点产业方面的发展框架,这些都值得我国借鉴。
  
  我国政府也应该采取相应的应对措施,如:做好推进新工业革命的顶层设计;积极投资新工业革命所需的重要基础设施;培育创新环境,推动技术创新浪潮;构建未来产业培育体系,引导产业创新;推动适应新工业革命所需的机制体制建设。同时,也要构建适应科技发展新特征的科技创新体系:走通“科学规律”-“核心技术”-“产业发展”的三部曲,加强应用基础研究和核心技术研发,实施知识产权战略;加强实验室成果的中试研发,企业提早介入,政府分担风险;加强产学研合作,政府引导和支持建立产学研联合实验室、联合研发中心;提高企业的自主创新意识,增强自主创新能力。
  
  作者简介
  
  褚君浩,中国科学院院士。第十、十一届全国人大代表,上海市政府离任参事,中科院上海技术物理研究所研究员,华东师大信息学院院长,上海太阳能电池研发中心主任,中国科学院学部主席团成员,上海市科协副主席。
  
  文章观点不代表主办机构立场。

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