走到便利店门前，大门自动打开；想知道明天会不会有台风，看一下天气预报就能知道台风走到了哪里；想解锁手机，无需输入密码，用指纹或者刷脸就能轻松解锁……这些我们生活中早已习以为常的小细节，其实都是智能化的体现。而这些智能化，都离不开一个关键的器件——传感器。人可以通过耳、目、鼻、唇、舌了解这个世界，而传感器就相当于机器的五官，能够让机器感知这个世界。什么是传感器？它在我们的生活中有何应用？在国外技术封锁的情况下，中国传感器是如何一步步发展起来的？中国科学院院士褚君浩先生，为我们介绍中国的科学家如何从无到有，突破从材料到器件的研发，打破外国的技术封锁，掌握了传感器中关键的碲镉汞核心技术，塑造中国第四次工业革命的智能化时代。褚君浩中国科学院院士中国科学院上海技术物理研究所研究员大家好，我今天想跟大家交流一下传感器与物联网。我们现在即将迎来第四次工业革命的时代。第一次工业革命实现了机械化，第二次工业革命实现了电气化，第三次工业革命是信息化。现在我们处在第三次工业革命后期——信息化高度发展时期，接下来我们将会迈入第四次工业革命的智能化时代，就是把智慧融入到一个物理实体系统里面去。智能时代的最大特征就是智能化系统，它有两大用途，一个是人工智能，第二个就是智慧地球，但这些都要靠背后的三大支柱来实现：动态感知，靠传感器实时得到信息；智慧设备，对收集的信息进行分析；自动反应，分析信息后马上采取反应。比如同济大学发明的这个机器人，得了上海市发明一等奖，它可以看到球，然后分析球在哪里，最后把球扑下去。这里面就是三大支柱在发挥作用，先动态感知“看”到这个球，然后对信息进行分析，之后采取反应把球扑住。在这个过程中，传感器是必不可少的。传感器有许多类型：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……以光传感器为例。光是电磁波，有不同的波长频率和波段。下面这张图上看到的可见光是红橙黄绿青蓝紫，比红颜色长的就是红外，近红外、短波红外等等，比红颜色波长短的就是γ射线、X射线、紫外线等等。不同波段的传感器，得到的信息是不一样的。比如同一个人，最左面可见光拍出的照片是这样，但是短波红外是另外一个样子。所以使用不同的波长照相，照出来的人是不一样的。比如一个苹果，在可见光下这个苹果看起来很好，但是用短波红外一看，这个苹果其实是烂的。这个人的可见光照片是下面这个样子，但是用短波红外一看，他的胡子和鬓尖都是假的。所以这个人要么是演员，要么就是可疑分子。因为不同的波段得到信息是不一样的，所以我们要做不同波段的探测器。这里面的关键就在于科学技术，需要材料科学、物理科学来供应不同的材料，做不同的器件。说到这里，必须要提一下汤定元院士，他是我们国家最早做碲镉汞研究的人。碲镉汞就是用来做红外探测器的，不同波段的探测器都可以做。当时我也很年轻，年考研究生，跟汤定元先生研究碲镉汞的物理性质。汤定元先生两年前我们放了一个风云四号卫星，它拍的这15张图，每一张图都是一个波段，都是用碲镉汞的红外探测器做成的像。右面那张图，是我们大气的CT，每一层大气都可以做出它的温度跟湿度。这是非常前沿的技术，国际上要三年以后才能放这样的卫星。我们现在的天气预报，台风到哪里预报得很准，是怎么做到的？就是因为我们有红外探测器在天上，晚上也能够看到风云。可见光的探测器白天可以看，红外探测器夜里也可以看，所以气象报告就可以非常准确。而这些进步的关键——碲镉汞的核心技术，完全掌握在我们自己手里。汤定元先生在60年代70年代那个时候就知道，这个要自己来搞。而且高端的红外探测器不能进口，所以几十年下来，从物理到材料到器件，全部是我们的技术物理研究所自己来做。除了碲镉汞探测器，我们现在还在发展太赫兹探测器。一个T是10的12次方，变成波长的话，就是微米，也就是远红外，这个波段特别有用。许多分子的特征频率都在这个波段，所以用太赫兹可以用来做医学二维成像、光谱分析、气体检测、食品检测，甚至是不是地沟油都可以看出来。比如下面这张图是太赫兹光成像的牙齿。当然我们也可以用X光拍照，但用X光拍牙齿，一定要跟医生说拿个东西给我盖一盖，如果不盖的话，对甲状腺会有影响。但是用太赫兹传感器看牙齿就没有这个问题，因为它对人体没有影响。下面这张图片，左边是可见光照片，看起来很正常，但用太赫兹光拍照，里面带的枪跟凶器都可以看到。所以现在好多地方都有这种太赫兹探测器，来检查人身上有没有带违禁物品。我们现在还发现了一种新现象，当太赫兹光波从上面下来的时候，窄禁带半导体金属结构中的载流子会从金属跑到窄禁带半导体里面去，从而使电导率发生变化。所以电导率一变，我们就知道是有太赫兹光进来了。我们发现了这个现象，在这个基础上发明了一种新的太赫兹探测器，非常灵敏，比现在所有的双用探测器的灵敏度要高三个数量级，这也是我们从并跑到领跑的一个历史见证。传感器在我们的生活中有什么用？比如沙林毒气，还有黑炸药爆炸事件，都造成了好多人的伤亡，原因就是因为没有传感器报警。如果说我们有毒气报警，有炸药报警，事先就可以避免这样事情的发生。最近也有一种聚合物荧光淬灭效应，这个聚合物能发荧光，但是如果有哪一位带了TNT进来了，这个荧光一下就淬灭了。荧光一淬灭，就知道有人带了TNT分子进来，现在可以做出这么敏感的报警装置。现在的大型会议，很多都放了这样的报警装置。我们现在除了光电传感器以外，还要发展其他传感器，比如紫外、红外、声响、电磁、单光子等传感器，同时还要发展多频谱范围的传感技术，发展单细胞、单分子、单原子等信息传感技术。因为传感器是我们人工智能、智慧城市、智能化系统的第一根支柱，所以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，还要可穿戴。褚君浩在院士Talk现场除了传感，智能系统中还包括另一个核心技术，那就是分析。传感得到了信息，不能分析也无法解决问题。我们身边有引力波，有电磁波，整个世界就是一个波动世界。作为一个波，它就会有频率、位相、偏振、波长……再加上时间轴空间轴，会产生大量数据，这些数据就可以用于智慧设备，比如遥感，比如物理探测，比如医疗，比如我们的生命体……如果我们每个人身上带一个心脏传感器，会把我们的心电图、设施的采集送到中心，由中心来分析病人情况正常还是不正常。如果它分析出来不正常，就可以通过北斗定位找到这个病人，马上采取措施。这样的智能系统就就是一个灵魂，一个智慧，一个大脑，是一个非常重要的方面。我们做了一个玉兔系统放在月亮上，它在月亮上面收集月表土壤的光谱，然后去进行分析，看看月亮表面是什么元素。最近我们也放了一个在月亮背面，就是嫦娥四号，要研究月亮里面到底是什么东西。传说过去多少亿年以前，有一颗陨石打到月亮的里面去，使月亮里面的物质到了月亮表面，落到盆底上。嫦娥四号就在那个表面移动，收集它的光谱，从光谱来分析到底这个颜色是什么成分，而这个颜色的成分也就是月亮里面的物质的成分，这个也就是智慧分析。得到信息再智慧分析，可以为我们做好多事情。例如我们现在医学上面大量用到成像技术，比如肺部小结节是不是毛玻璃等等。如果我们结合了光谱，就可以进一步分析出来到底是良性还是恶性，这些研究现在都在进行。所以我们现在的建设要有人工智能，还要发展智慧地球。温总理说，把所有的物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行智能化的设备和管理，这个样子就是一个物联网的体系。所以我们智慧地球是互联网加上物联网，还要加上智慧设备。它可以为我们建设智慧城市、智慧社区、智慧楼宇、智慧校园等等，能够做好多方面的工作。谢谢大家！本次演讲源自于「院士TALK」系列第二期现场。「院士TALK」系列活动是由上海组织部发起并主办，造就承办的科普品牌活动，定期邀请中国科学院和中国工程院院士进行沉浸式演讲，旨在向广泛的社会公众普及最前沿的科学知识和科研成果，展现卓越的科学家精神。（本文未经造就授权，禁止转载。）编辑
田晓娜；视频
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