走到便利店門(mén)前，大門(mén)自動(dòng)打開(kāi)；想知道明天會(huì)不會(huì)有臺(tái)風(fēng)，看一下天氣預(yù)報(bào)就能知道臺(tái)風(fēng)走到了哪里；想解鎖手機(jī)，無(wú)需輸入密碼，用指紋或者刷臉就能輕松解鎖……

這些我們生活中早已習(xí)以為常的小細(xì)節(jié)，其實(shí)都是智能化的體現(xiàn)。而這些智能化，都離不開(kāi)一個(gè)關(guān)鍵的器件——傳感器。

人可以通過(guò)耳、目、鼻、唇、舌了解這個(gè)世界，而傳感器就相當(dāng)于機(jī)器的五官，能夠讓機(jī)器感知這個(gè)世界。

什么是傳感器？

它在我們的生活中有何應(yīng)用？

在國(guó)外技術(shù)封鎖的情況下，中國(guó)傳感器是如何一步步發(fā)展起來(lái)的？

中國(guó)科學(xué)院院士褚君浩先生，為我們介紹中國(guó)的科學(xué)家如何從無(wú)到有，突破從材料到器件的研發(fā)，打破外國(guó)的技術(shù)封鎖，掌握了傳感器中關(guān)鍵的碲鎘汞核心技術(shù)，塑造中國(guó)第四次工業(yè)革命的智能化時(shí)代。

褚君浩

中國(guó)科學(xué)院院士

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員

大家好，我今天想跟大家交流一下傳感器與物聯(lián)網(wǎng)。

我們現(xiàn)在即將迎來(lái)第四次工業(yè)革命的時(shí)代。

第一次工業(yè)革命實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，第二次工業(yè)革命實(shí)現(xiàn)了電氣化，第三次工業(yè)革命是信息化。

現(xiàn)在我們處在第三次工業(yè)革命后期——信息化高度發(fā)展時(shí)期，接下來(lái)我們將會(huì)邁入第四次工業(yè)革命的智能化時(shí)代，就是把智慧融入到一個(gè)物理實(shí)體系統(tǒng)里面去。

智能時(shí)代的最大特征就是智能化系統(tǒng)，它有兩大用途，一個(gè)是人工智能，第二個(gè)就是智慧地球，但這些都要靠背后的三大支柱來(lái)實(shí)現(xiàn)：

動(dòng)態(tài)感知，靠傳感器實(shí)時(shí)得到信息；

智慧設(shè)備，對(duì)收集的信息進(jìn)行分析；

自動(dòng)反應(yīng)，分析信息后馬上采取反應(yīng)。

比如同濟(jì)大學(xué)發(fā)明的這個(gè)機(jī)器人，得了上海市發(fā)明一等獎(jiǎng)，它可以看到球，然后分析球在哪里，最后把球撲下去。

這里面就是三大支柱在發(fā)揮作用，先動(dòng)態(tài)感知“看”到這個(gè)球，然后對(duì)信息進(jìn)行分析，之后采取反應(yīng)把球撲住。

在這個(gè)過(guò)程中，傳感器是必不可少的。傳感器有許多類(lèi)型：光傳感器、電傳感器、磁傳感器、熱傳感器、聲傳感器、機(jī)械傳感器……

以光傳感器為例。光是電磁波，有不同的波長(zhǎng)頻率和波段。

下面這張圖上看到的可見(jiàn)光是紅橙黃綠青藍(lán)紫，比紅顏色長(zhǎng)的就是紅外，近紅外、短波紅外等等，比紅顏色波長(zhǎng)短的就是γ射線、X射線、紫外線等等。

不同波段的傳感器，得到的信息是不一樣的。

比如同一個(gè)人，最左面可見(jiàn)光拍出的照片是這樣，但是短波紅外是另外一個(gè)樣子。所以使用不同的波長(zhǎng)照相，照出來(lái)的人是不一樣的。

比如一個(gè)蘋(píng)果，在可見(jiàn)光下這個(gè)蘋(píng)果看起來(lái)很好，但是用短波紅外一看，這個(gè)蘋(píng)果其實(shí)是爛的。

這個(gè)人的可見(jiàn)光照片是下面這個(gè)樣子，但是用短波紅外一看，他的胡子和鬢尖都是假的。所以這個(gè)人要么是演員，要么就是可疑分子。

因?yàn)椴煌牟ǘ蔚玫叫畔⑹遣灰粯拥?，所以我們要?/span>不同波段的探測(cè)器。這里面的關(guān)鍵就在于科學(xué)技術(shù)，需要材料科學(xué)、物理科學(xué)來(lái)供應(yīng)不同的材料，做不同的器件。

說(shuō)到這里，必須要提一下湯定元院士，他是我們國(guó)家最早做碲鎘汞研究的人。

碲鎘汞就是用來(lái)做紅外探測(cè)器的，不同波段的探測(cè)器都可以做。當(dāng)時(shí)我也很年輕，1978年考研究生，跟湯定元先生研究碲鎘汞的物理性質(zhì)。

兩年前我們放了一個(gè)風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星，它拍的這15張圖，每一張圖都是一個(gè)波段，都是用碲鎘汞的紅外探測(cè)器做成的像。

右面那張圖，是我們大氣的CT，每一層大氣都可以做出它的溫度跟濕度。這是非常前沿的技術(shù)，國(guó)際上要三年以后才能放這樣的衛(wèi)星。

我們現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)，臺(tái)風(fēng)到哪里預(yù)報(bào)得很準(zhǔn)，是怎么做到的？就是因?yàn)槲覀冇屑t外探測(cè)器在天上，晚上也能夠看到風(fēng)云。

可見(jiàn)光的探測(cè)器白天可以看，紅外探測(cè)器夜里也可以看，所以氣象報(bào)告就可以非常準(zhǔn)確。

而這些進(jìn)步的關(guān)鍵——碲鎘汞的核心技術(shù)，完全掌握在我們自己手里。湯定元先生在60年代70年代那個(gè)時(shí)候就知道，這個(gè)要自己來(lái)搞。

而且高端的紅外探測(cè)器不能進(jìn)口，所以幾十年下來(lái)，從物理到材料到器件，全部是我們的技術(shù)物理研究所自己來(lái)做。

除了碲鎘汞探測(cè)器，我們現(xiàn)在還在發(fā)展太赫茲探測(cè)器。一個(gè)T是10的12次方，變成波長(zhǎng)的話，就是300微米，也就是遠(yuǎn)紅外，這個(gè)波段特別有用。

許多分子的特征頻率都在這個(gè)波段，所以用太赫茲可以用來(lái)做醫(yī)學(xué)二維成像、光譜分析、氣體檢測(cè)、食品檢測(cè)，甚至是不是地溝油都可以看出來(lái)。

比如下面這張圖是太赫茲光成像的牙齒。當(dāng)然我們也可以用X光拍照，但用X光拍牙齒，一定要跟醫(yī)生說(shuō)拿個(gè)東西給我蓋一蓋，如果不蓋的話，對(duì)甲狀腺會(huì)有影響。

但是用太赫茲傳感器看牙齒就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼘?duì)人體沒(méi)有影響。

下面這張圖片，左邊是可見(jiàn)光照片，看起來(lái)很正常，但用太赫茲光拍照，里面帶的槍跟兇器都可以看到。

所以現(xiàn)在好多地方都有這種太赫茲探測(cè)器，來(lái)檢查人身上有沒(méi)有帶違禁物品。

我們現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，當(dāng)太赫茲光波從上面下來(lái)的時(shí)候，窄禁帶半導(dǎo)體金屬結(jié)構(gòu)中的載流子會(huì)從金屬跑到窄禁帶半導(dǎo)體里面去，從而使電導(dǎo)率發(fā)生變化。

所以電導(dǎo)率一變，我們就知道是有太赫茲光進(jìn)來(lái)了。

我們發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新的太赫茲探測(cè)器，非常靈敏，比現(xiàn)在所有的雙用探測(cè)器的靈敏度要高三個(gè)數(shù)量級(jí)，這也是我們從并跑到領(lǐng)跑的一個(gè)歷史見(jiàn)證。

傳感器在我們的生活中有什么用？

比如沙林毒氣，還有黑炸藥爆炸事件，都造成了好多人的傷亡，原因就是因?yàn)闆](méi)有傳感器報(bào)警。如果說(shuō)我們有毒氣報(bào)警，有炸藥報(bào)警，事先就可以避免這樣事情的發(fā)生。

最近也有一種聚合物熒光淬滅效應(yīng)，這個(gè)聚合物能發(fā)熒光，但是如果有哪一位帶了TNT進(jìn)來(lái)了，這個(gè)熒光一下就淬滅了。

熒光一淬滅，就知道有人帶了TNT分子進(jìn)來(lái)，現(xiàn)在可以做出這么敏感的報(bào)警裝置。

現(xiàn)在的大型會(huì)議，很多都放了這樣的報(bào)警裝置。

我們現(xiàn)在除了光電傳感器以外，還要發(fā)展其他傳感器，比如紫外、紅外、聲響、電磁、單光子等傳感器，同時(shí)還要發(fā)展多頻譜范圍的傳感技術(shù)，發(fā)展單細(xì)胞、單分子、單原子等信息傳感技術(shù)。

因?yàn)閭鞲衅魇俏覀內(nèi)斯ぶ悄?、智慧城市、智能化系統(tǒng)的第一根支柱，所以發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要，用更低的成本，實(shí)現(xiàn)更快的速度，更智能化的應(yīng)用，還要可穿戴。

褚君浩在院士Talk現(xiàn)場(chǎng)

除了傳感，智能系統(tǒng)中還包括另一個(gè)核心技術(shù)，那就是分析。傳感得到了信息，不能分析也無(wú)法解決問(wèn)題。

我們身邊有引力波，有電磁波，整個(gè)世界就是一個(gè)波動(dòng)世界。

作為一個(gè)波，它就會(huì)有頻率、位相、偏振、波長(zhǎng)……再加上時(shí)間軸空間軸，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)就可以用于智慧設(shè)備，比如遙感，比如物理探測(cè)，比如醫(yī)療，比如我們的生命體……

如果我們每個(gè)人身上帶一個(gè)心臟傳感器，會(huì)把我們的心電圖、設(shè)施的采集送到中心，由中心來(lái)分析病人情況正常還是不正常。

如果它分析出來(lái)不正常，就可以通過(guò)北斗定位找到這個(gè)病人，馬上采取措施。

這樣的智能系統(tǒng)就就是一個(gè)靈魂，一個(gè)智慧，一個(gè)大腦，是一個(gè)非常重要的方面。

我們做了一個(gè)玉兔系統(tǒng)放在月亮上，它在月亮上面收集月表土壤的光譜，然后去進(jìn)行分析，看看月亮表面是什么元素。

最近我們也放了一個(gè)在月亮背面，就是嫦娥四號(hào)，要研究月亮里面到底是什么東西。

傳說(shuō)過(guò)去多少億年以前，有一顆隕石打到月亮的里面去，使月亮里面的物質(zhì)到了月亮表面，落到盆底上。

嫦娥四號(hào)就在那個(gè)表面移動(dòng)，收集它的光譜，從光譜來(lái)分析到底這個(gè)顏色是什么成分，而這個(gè)顏色的成分也就是月亮里面的物質(zhì)的成分，這個(gè)也就是智慧分析。

得到信息再智慧分析，可以為我們做好多事情。例如我們現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上面大量用到成像技術(shù)，比如肺部小結(jié)節(jié)是不是毛玻璃等等。

如果我們結(jié)合了光譜，就可以進(jìn)一步分析出來(lái)到底是良性還是惡性，這些研究現(xiàn)在都在進(jìn)行。

所以我們現(xiàn)在的建設(shè)要有人工智能，還要發(fā)展智慧地球。

溫總理說(shuō)，把所有的物品通過(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行智能化的設(shè)備和管理，這個(gè)樣子就是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的體系。

所以我們智慧地球是互聯(lián)網(wǎng)加上物聯(lián)網(wǎng)，還要加上智慧設(shè)備。它可以為我們建設(shè)智慧城市、智慧社區(qū)、智慧樓宇、智慧校園等等，能夠做好多方面的工作。

謝謝大家！

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