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褚君浩院士:传感器是智能化系统的核心技术

发布时间:2022-5-6 8:26:25   
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近日,第十九期“海上院士讲坛”在中国金融信息中心举行。中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员、复旦大学教授褚君浩院士,作题为“第四次工业革命和智能时代”的主题报告。

 

褚君浩指出,传感器是智能化系统一个非常重要的核心技术。发展高性能的传感器芯片非常重要,用更低的成本,实现更快的速度,更智能化的应用。有了好的传感器,就能握紧核心技术,再通过互联网的技术,把传感的信息传出去加以分析,进而达成多功能集成化、无线通信化、柔性化、微型化。

 


第四次工业革命


       


18世纪,第一次工业革命起源于英国,以机械化为特征。当时先有蒸汽机,随着技术和性能的不断提高,大机器生产取代手工劳动,整个世界开始机械化。进而,生产力得到解放和发展,出现拥有资产的阶层,改变了世界的面貌;劳动力从农村走向城市,开始了城市化的进程。
19世纪,第二次工业革命,以电气化为特征。由于在实验室里面发现电磁学规律,从而发明了电动机和发电机。当时,美德两国处于领先地位,电力的广泛应用及石油的大量开采,将科学技术成就循序运用到生产中,推动了世界经济的迅速增长,进一步改变了人民的生活方式;垄断资本影响国家和世界的政治和经济生活;加强了世界联系,同时带来了环境污染。

工业革命是技术和科学交叉推动,科学推动技术,技术转化为应用,应用对技术提出要求,技术要解决问题,又想办法从科学上来解决,以此循环。好比,第一次工业革命是从技术开始,然后到科学,再到技术。第二次工业革命就不一样了,完全是从科学开始,然后到技术再到科学。


20世纪, 第三次工业革命,以信息化为特征。从科学出发到技术再到科学,由此发展。通过原子物理、量子力学、固体物理、现代光学和半导体科学规律的发现,使得我们在半导体晶体管、集成电路、激光、光纤、电磁波、巨磁阻效应等方面,得到了技术性的发展,进而促进了电子技术、微电子技术、原子能技术、光学技术、新材料技术、信息技术等一系列新兴产业的发展。
那么,新的工业革命驱动力是什么?

1.能源和环境问题突显, 全球可持续发展面临巨大压力
过去北冰洋都是冰,北极熊觅食时,在冰上打个洞,鱼游过来,就可以捞鱼吃。可是,随着冰川融化,没有地方打洞,最终造成大熊吃小熊,这也是人们去旅游时能看到小熊骨骼的原因。倘若北极格陵兰岛冰盖全部融化,海平面将上升7.2米!对上海来说,浦东海拔高度和海平面距离不到2米,浦西只有3到4米。如果海平面上升7.2米,意味着浦东要全部浸到水里去了。

2. 人类不断追求更加美好的生活
我们过去看黑白的电视,后来看彩色的电视,屏幕越来越大,将来可能会看看立体的电视。激光全息摄影就是其中一种方案,人们也在为之研究。

3. 信息科学技术高度发展为工业革命创造条件
现在基于物质科学新发现、微纳米器件和制造新技术;基于脑科学和认知科学发展,促进高度智能化;数字化发展成为大数据,程序化发展到智能化,小型化发展到微纳化,网络化由机—机网络发展到人—机—物网络。举个例子,现在集成电路发展非常困难,尺寸越来越小,摩尔定律接近临界,将来可能就要研究自旋电子学。自旋电子器件高速度、低功耗,可实现更高集成度,还能融合光、电、磁,实现存储、计算、传感为一体的器件,从而实现更高速的集成电路。
信息、生物、材料、能源、环境等领域的一些重大突破已出现萌芽,很多思想、理念、技术都会发生大的跃变。人类进入后IT时代,迎接智能时代。所以第一次工业革命是机械化,第二次工业革命是电气化,第三次工业革命是信息化,第四次工业革命总趋势就是智能化。它的特点就是智慧融入物理的实体系统里面,简称智慧融物。现在第四次工业革命有以下三个特征:信息科学技术在物理数学生物基础上进一步提升;多领域发现和发明多轨并行、交叉推动;信息科学技术和多领域科学技术深度融合,将信息渗透到各个领域,由此用信息技术提升能级。
新工业革命的技术态势有六个方面:第一个,智能化分布式新能源系统、能源互联网;第二个,智能化复杂体系、人工智能、智慧城市;第三个,智能化制造技术、先进材料、极端制造;第四个,智能化诊断、修复技术、智慧医疗;第五个,传统工业的智能化升级;第六个,互联网、传感器、物联网、大数据。

迎接智能时代


       



智能时代的特点就是智能化的系统,这是它的核心。智能化的系统有三根支柱,动态感知、智慧识别、自动反应:


首先它是要动态感知,就是像我们的眼睛,耳朵等五官,可是,二维码、条形码不是动态的,它们是事先做好放在那里的。所以智能化的系统里面,我们要靠传感器,达成动态感知,而传感器则是代替我们五官的。
第二个就是要智慧识别,识别就是要分析,相当于我们的脑子。这里面要靠大数据的分析,大数据的分析有两个方面,一个是文本大数据,是现成的,另一个是物理大数据,是通过测量得到的,比如天气预报,我们人体看B超,做CT, 要更加注重物理过程的规律、模型、方法。通过规律发现规律,事半功倍。
第三个就是要自动反应。现如今我们有基础信息平台,有互联网,有物联网,有集成电路,有芯片技术,有通讯技术5G的技术,能大大提高自动反应。例如,一个打乒乓球的机器人,是典型的智能化系统,因为首先它看得见乒乓球,这是动态感知,第二个它要算这个乒乓球弹起来怎么样,第三个是它反应,把它打回去,
在智能化的系统中,一个是人工智能,一个是智慧地球。人工智能在工业上已经用得非常普遍。德国慕尼黑的宝马工厂里,有5000个人,里面1000个是机器人。在智慧地球里面,包括智慧空天海地、智慧能源环境、智能制造等。“智慧地球 = 互联网+物联网”,这是IBM总裁的定义。温总理在无锡有一段讲话,“把所有通过物品,通过信息传感的设备与互联网连接起来进行智能化处理,这个就是物联网了。”
智能系统,是在某一区域中智能化运行某一行为。比如在家庭智慧的老幼监视系统或者设备控制系统;在小区智慧的能源调控系统;在工厂智慧的物流系统等。所以智能系统是一定在一个区域内,实行一个、两个或者三个行为。如果说区域越来越大,行为越来越多,那么你的智慧度就越来越高。

在互联网、物联网、大数据和云计算的基础信息化技术上,智慧城市至少应该有四层架构:感知层、互联层、分析层、反应层,进而在城市综合管理、 交通物流贸易、能源环境安全、 医疗文化教育和城市社区安居五大方面获得广泛应用。


其中包含两个核心的技术,一个是实时感知技术,是通过传感器芯片来实现。第二个是智慧分析系统,通过模型和大数据的分析实现,比如人体心脏监视器,数据分析中心实时获取心脏信息后发送出去,如果发现你的心电图有什么问题,马上就可以采取措施,这就是智慧的医疗。
首先是传感器,就是一个器件,它是代替我们人的眼睛、鼻子、耳朵,把光声热电子生物过程变成电。比如光电传感器来说,非常重视基础研究,它提供方法、手段、模型、理论。既然是不同运动形式的器件,我们需要发现其规律,进行在技术上提高、实现,从而做成了传感器,这个就发展了光电芯片技术。
另外,用不同波段探测器,可以看到不同信息。因为不同的波段有不同的特征,所以要做不同波段的探测器。比如短波红外,可见光和近红外,都有不同的用处。现在照相机是可见光的,如果能发现规律,能做出不同波段的探测器,其应用面将非常宽广。波长再长就是太赫兹(THz),其应用面很广,包括地垢油的监测,医学二维成像,安全(爆炸物探测),雷达建模等。这里面有核心技术,比如说要做特殊灵敏的探测器、非夲征Ge光电探测器,场效应晶体管探测器,肖特基势垒探测器等等。我们最近发现一个新现象:窄禁带半导体MSM结构与THz光场相互作用,外部电磁波(光子)入射到器件上,将在半导体材料中诱导势阱,从而束缚来自于金属中的载流子,使得材料中载流子浓度发生改变,出现载流子集聚。
红外,不仅可以在黑暗里面看清图象,同时还能看到温度分布。我们可以用铁电薄膜、氧化钒等,制造室温工作的红外探测器,根据科学道理,分析不同温度的物体,以及对外辐射的能量分布。这也是现在疫情期间,经常用来探测体温的。再比如说火情监控,可以通过固定式红外监控系统、机载红外火情预警、红外卫星等红外探测技术,及时准确地穿透烟雾,发现火点以及火场被困人员。
智能时代背景下光电传感器需求,有以下几点:少光子、单光子、光子数可分辨红外探测器;超大规模焦平面列阵器件;不同波段光电器件;多波段融合光电器件;室温工作红外焦平面器件;新型读出方式焦平面器件。要清楚材料器件结构中物理过程,并能精细描述和控制,从而提升技术水平并达成创新。

因此,传感器是智能化系统一个非常重要的核心技术。发展高性能的传感器芯片非常重要,用更低的成本,实现更快的速度,更智能化的应用。有了好的传感器,就能握紧核心技术,再通过互联网的技术,把传感的信息传出去加以分析,进而达成多功能集成化、无线通信化、柔性化、微型化。


第二个核心技术,就是智慧分析,模型分析,大数据分析。我们现在是处在一个波动世界里面,空间引力波、电磁波、机械波,这个波就有频率、强调、位相、偏振,通过对于波的分析,就可以得到很多信息。举个例子,苹果、樱桃、梨、葡萄光谱不一样。我们每个人穿的衣服光谱也不一样,当我们获取波谱特征,并存入数据库后,应用时就可以,将测量到的波谱,对比数据库数据,即可进行分析判断。医学成像信息大数据,则是利用成像结合光谱,从而进行识别。所以,智能芯片则是将分析和传感器的芯片结合在一起,采集波的特征,制作数据库,形成自己的系统。
重视基础研究是非常重要的,基础研究是历次工业革命的科学源泉,又在历次工业革命中得以发展。基础研究将推动第四次工业革命发展,将在智能时代背景中催生新发现新技术。所以这也是科学 - 技术 - 科学 - 技术之间不断应用,根据科学技术本身的规律来研究,来推动它的发展。
现在新工业革命对制造业也会有一些影响,首先,工业革命总是与科技革命相伴而生,制造业也逐渐从传统迈向智能化时代,因为随着工业机器人、3D打印、数字化工厂的出现,取代了人工,使劳动力成本占总成本的比例不断减小,使我国很多制造行业面临生存危机,但也促进了人工智能机器人的发展。而且将来网络共享的经济模式会出现分布生产模式,智慧工厂和互联网工厂。与此同时,也会提倡低碳化、绿色的生产与生活方式,突破一些关键技术,其中包括可再生能源技术、储能技术、智能电网技术、新能源技术、云计算、物联网这些普遍的技术,还包括很多特殊的技术、传感的技术、分析的技术等等。
制造业转化的趋势,有以下五点:原来主要是靠资源和投资驱动的,现在靠技术进步。原来是生产能力的扩张,现在是技术能力的积累。原来是生产型的制造,向服务型的制造发展。原来是处在制造业价值链的低端向价值链的高端发展。原来是挤压环境,现在是对环境友好。

关于新工业革命的应对措施,政府应该做好推进新工业革命的顶层设计。其次,要积极投资新工业革命需要的重要基础设施,包括宏观的新基建,还包括每个镇、乡、城市、省的设施。另外,要培育创新环境,推动技术创新浪潮。构建未来产业的培育体系,引导产业创新。


最后,推动适应新工业革命需要的机制体制建设。其中几方面工作要加强,第一,加强科学规律和核心技术、产业发展的三部曲。第二,加强实验室成果的中试研发,企业要提早介入,政府要分担风险。第三,切实加强产学研合作,建立产学研联合实验室、联合研发中心,政府要引导支持。第四,要提高企业的自主创新意识,增强自主创新能力。

最后,老子曾说:“有道无术,术尚可求也。有术无道,止于术。” 庄子曾说:“以道驭术,术必成。离道之术,术必衰。”。这两句话将科学规律和技术的关系,表达得淋漓尽致。

培育创新能力


       


培育创新能力,对于一个单位、科学家、工程师、学生都是重要的,关键是人。第一要遵循客观规律,尤其是发现规律,开发技术,实际应用特别重要,要把关系处理好;第二要修炼内在的素质,勤奋,有好奇心,有创新精神,要渐进,不要浮躁,有远大志向;第三要凝聚驱动的力量,驱动的力量非常重要的是兴趣,要有兴趣来做这件事,只有产生兴趣才能做得最好;第四要有责任的驱动,我们是人,有精神的驱动,责任的驱动;最后要培养一种极致的精神,就是精益求精,一丝不苟。

 


来源:中国金融信息中心

作者:白伊美、刘思乐

摄影:陈奕屹

  

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