智能“传感”，“感知”天下

若将智能系统喻为“人类”，那么传感器便相当于“人类”的感觉器官。各式各样的传感器能够感知周遭环境，并将所收集的数据传输至系统进行计算处理，从而实现对情况的实时分析与判断，并作出相应反应。伴随着数字化和智能化的持续深入，各类传感器的应用范围显著扩大，为人类创造更加美好的生活贡献了巨大的力量。

智能手机内部集成了众多传感器，包括负责摄影的CMOS图像传感器、监测光线强度的环境光传感器，以及用于定位的地磁传感器和陀螺仪等。正是依靠这些传感器的支持，手机中的各类应用软件得以顺畅运行，使得手机不仅成为集工作、生活、娱乐功能于一体的便携式智能工具，同时也极大地改变了人们的生活方式。风云卫星搭载的可见光与红外光电探测器，全天候不间断地收集大气数据，对天气进行精确预报，其功能甚至延伸至月球和火星，助力人类揭开宇宙的神秘面纱。

超越感官

传感器堪称信息系统的“智慧之眼”。此类设备如同人类之眼、耳、肤等感官器官，能够感知周遭环境，助力我们洞察这个丰富多彩的世界。然而，与人类感官相比，传感器在敏感度和强度上更为出色。客观存在的世界所蕴含的信息量，远远超出了我们感官所能感知的极限。人的视觉无法捕捉到红外与紫外辐射，听觉亦无法辨识次声与超声波，而那无影无形的磁场，更是难以被察觉。然而，这些感官无法触及的信息，传感器却能准确“感知”。

随着生产力的提升，人类对世界的感知需求日益全面。在1821年，科学家们基于材料在温差作用下产生电压的原理，成功研发了世界上首个传感器，即温度传感器。起初，人们直接通过光、热、电、力、磁等物理现象来制造各类传感器，但这些传感器体积庞大、灵敏度不足，且使用起来并不便捷。在20世纪70年代，集成传感器问世，它们将敏感元件与信号电路合而为一，典型例子包括热电偶传感器、霍尔传感器以及光敏传感器等。这些传感器主要由半导体、电介质、磁性材料等固体元件组成，并能输出模拟信号。进入20世纪末，数字化传感器迎来了迅猛发展，借助“模拟/数字”转换模块，它们能够实现数字信号的输出。数字化传感器融合了智能化处理模块，具备自动收集与处理信息的功能，同时还能根据周围环境的变化自动调节作业参数。在数码相机中，光敏元件便是这一技术的典型应用。

总体而言，传感器的运作机制在于某些材料的电学性质会随着环境条件的变化而改变。比如开元ky888棋牌官方版，铂在温度变化时电阻率会有所不同，硅在受到可见光照射时电阻会降低，石英在受到压力作用后其表面会产生电荷。通过电阻与温度之间的关联，我们可以制造出温度传感器；而在敏感元件上增加隔热层后，根据敏感元件的温度变化与红外辐射能量之间的联系，我们还能制造出红外传感器。在此基础之上，我们可以依据温度与红外辐射间的联系，研发出一种无需接触的测温设备。大家所熟知的体温测量工具——额温枪，便是基于此原理而设计的。通过运用物理和化学的多种效应，我们能够制造出比狗鼻子灵敏度高1000倍的“电子鼻”，它能感知到气体分子；同时，我们还能制作出能够在黑暗中观测物体的红外相机，这些传感器种类繁多，功能也十分强大。

奠基智能化

数字化过程涉及将事物的特性进行数值化处理，进而以数字形式呈现其抽象的结论。通过运用现代信息技术，人们得以保存、加工及广泛传播各类数字化数据。传感器具备将事物内含的多样信息转化为电脉冲的能力，并通过数模转换器将这些电脉冲转换为数字形式，从而成为实现数字化的关键设备。使用手机拍摄照片或录制视频之际，手机内的光敏元件将所接收到的光线强度信息转化为电信号，随后依照特定规则将其以数字形式进行编码并保存，最终在手机屏幕上呈现出可视的图像。

数字化依赖于传感器来收集数据。数字化系统所需要处理的数据量极其巨大，单靠人力或传统手段难以实现，而传感器却能实现实时、高效、精确、迅速的数据采集。因此，我们得以拥有城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。借助各种传感器，人们能够进行远程会议、在线学习、扫码支付，甚至进行直播销售，从而催生了数字经济的新形态。数字经济领域涵盖的云计算、物联网、人工智能以及5G通信等众多技术，均与传感器紧密相连。

若缺失传感器，数字化与智能化将无从谈起。传感器构成了智能化系统的入门门槛，其性能高低直接影响到智能化系统及所配备仪器的整体水平。当前，传感器技术已在全球信息高端器件研究领域占据领先地位开yunapp体育官网入口下载手机版，在人工智能、智慧城市建设、5G通信技术、航空航天以及生命健康等多个领域，都发挥着至关重要的作用。一辆汽车配备着压力、温度、位置、声音、光、电等超过100种的传感器，这些传感器收集的数据由车载电脑进行加工处理，从而辅助驾驶员做出决策。智能化数据分析技术的应用显著降低了驾驶难度，使得汽车更加安全易驾。此外，无人驾驶汽车能通过传感器实时捕捉道路信息，一旦遇到障碍物，便能够借助智能分析迅速作出规避。都市里的摩天大楼、桥梁、隧道等构造，同样需要借助视频、温度、压力以及烟雾等传感设备进行安全状态的实时监控。当这些数据被汇总后，智能化的系统将迅速进行解析，从中提取出若干关键信息，以便用户作出相应的决策。展望未来，人类的感知能力有望通过传感器的辅助变得更加强大，从而构建出更为智能化的系统。

开拓新场景

目前，众多传感器正朝着性能优化、成本降低的方向发展，并向数字化、智能化、微型化、绿色低碳以及可穿戴等多元化领域拓展，展现出强劲的发展势头。在此过程中，智能传感器、柔性传感器以及基于新原理的传感器的研发尤为突出，它们具有标志性的意义，未来有望引领全新的工作与生活方式。

智能传感器的推广成为一大发展动向。通过智能传感技术的应用，人们能够设计和制造出具备信息获取、存储、分析能力的各类传感器单元和微型系统，从而实现低成本、高精度的信息搜集。这类传感器在机器人、无人驾驶、智能制造、运动数据监测等多个领域得到广泛应用，同时也能用于研发非侵入性或微创型健康监测设备。动态血糖仪的流行就是一个典型的例子。糖尿病患者将柔软的传感器无创地植入体内，该传感器每隔五分钟便测量一次血糖水平，并将数据传输至手机应用程序。患者得以监控血糖曲线的波动，并据此调整饮食和运动，以控制血糖。部分患者甚至因此摆脱了对药物和胰岛素的依赖。同时，研究人员正在开发可降解的电子设备，以进一步增强智能传感器在促进低碳环保生活方式方面的作用。

柔性传感器的研发成为了一个新的动向。众多应用场合迫切需要传感器能够在柔性的基材上进行制作，并且这些传感器应具备透明性、柔韧性、良好的延展性，能够自由弯曲甚至折叠，便于携带，且适合穿戴。目前，在制备柔性传感器时，常用的传感材料包括碳基材料，如炭黑、碳纳米管和石墨烯等；金属纳米材料，如金属纳米线和金属纳米颗粒等；此外，还有高分子聚合物和蛋白纤维等。这种具备可延展性、耐撕裂及自我修复特性的交联型超分子聚合物薄膜电极材料，适用于生产未来一代的穿戴式及植入式柔性电子设备。将多功能柔性传感器与柔性印刷电路板相结合，可制造出“智能型腰带”，佩戴于身体各部位，能实时监测并分析生理数据开yun体育官网入口登录app，助力人们，尤其是感官功能衰退的人群，更好地掌握自己的健康状况。

新型传感器接连问世。在基础科学领域，新的科学规律接连被揭示，研究者们正运用这些最新的科学见解来开发传感器。与此同时，技术的不断进步也为基础研究带来了新的挑战和要求。在日常生活中，大众追求提升相机的像素、灵敏度以及速度等关键性能指标；在快速进行的实验中，我们迫切需要一种能够捕捉飞秒级信息的条纹相机；而在量子通信领域，我们急需灵敏度极高的单光子光电探测器；在空天科技领域，我们还需掌握对高速运动物体和低温目标的探测技术，如此种种。这一切都促使科学家们深入物理领域，不断探寻新的现象和规律，以提升传感器的性能水平。

科技的迅猛进步促使新材料和新工艺层出不穷地应用于实际，这使得性能更卓越、种类更加繁多、智能化程度更高的传感器得以诞生，进而为工作和生活中创造出更多新颖的体验，助力人们更加深切地体会到美好生活的存在。

作者系中国科学院院士，亦为中国科学院上海技术物理研究所的研究员。