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第四次工業(yè)革命來了!中國科學(xué)院院士:傳感器是其中核心技術(shù),非常關(guān)鍵?。ㄇ把赜^點)

發(fā)布時間:2024-08-05
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第一次工業(yè)革命發(fā)生在1700年代末期,蒸汽機(jī)、棉紡織技術(shù)以及鐵路的出現(xiàn)讓我們進(jìn)入了機(jī)械化生產(chǎn)的時代。第二次工業(yè)革命發(fā)生在19世紀(jì)末,流水線作業(yè)和電力的使用為大規(guī)模量產(chǎn)提供了條件。第三次工業(yè)革命即計算機(jī)革命,發(fā)生在20世紀(jì)60年代,大型計算機(jī)、個人電腦以及互聯(lián)網(wǎng)是此次工業(yè)革命的產(chǎn)物。如今我們正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命,它與前幾次都有所不同。



華為任正非認(rèn)為,“我們即將進(jìn)入第四次工業(yè)革命時代,其規(guī)模之大不可想象”。


關(guān)于第四次工業(yè)革命,原國務(wù)院參事、北京大學(xué)新結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究院院長、教授林毅夫認(rèn)為,中國在理念、人才、市場、硬件上具有優(yōu)勢,與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跽驹谕粭l起跑線上,“我們不會落后,但其他國家也會發(fā)展。我們應(yīng)該開放、交流、相互促進(jìn),在與世界共享成就的同時,也要積極學(xué)習(xí)利用他人成果,在開放中不斷進(jìn)步。”



此前,中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、復(fù)旦大學(xué)教授褚君浩院士,作題為“第四次工業(yè)革命和智能時代”的主題報告。



報告中,褚君浩院士多次強(qiáng)調(diào)掌握自主的傳感器技術(shù)對我國進(jìn)行第四次工業(yè)革命和進(jìn)入智能化時代的重要性。褚君浩院士指出,傳感器是第四次工業(yè)革命中智能化系統(tǒng)一個非常重要的核心技術(shù)。我國發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要,用更低的成本,實現(xiàn)更快的速度,更智能化的應(yīng)用。



有了好的傳感器,就能握緊核心技術(shù),再通過互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),把傳感的信息傳出去加以分析,進(jìn)而達(dá)成多功能集成化、無線通信化、柔性化、微型化。

本文,為該次演講文稿,看看院士怎么看待傳感器在第四次工業(yè)革命中的作用。


專家檔案

褚君浩,中國科學(xué)院院士。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授,《紅外與毫米波學(xué)報》主編,中科院學(xué)部主席團(tuán)成員。褚君浩院士長期從事紅外光電子和半導(dǎo)體物理研究。獲得國家自然科學(xué)獎三次、部委級自然科學(xué)獎或科技進(jìn)步獎12次。2005年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。

第四次工業(yè)革命


18世紀(jì),第一次工業(yè)革命起源于英國,以機(jī)械化為特征。當(dāng)時先有蒸汽機(jī),隨著技術(shù)和性能的不斷提高,大機(jī)器生產(chǎn)取代手工勞動,整個世界開始機(jī)械化。進(jìn)而,生產(chǎn)力得到解放和發(fā)展,出現(xiàn)擁有資產(chǎn)的階層,改變了世界的面貌;勞動力從農(nóng)村走向城市,開始了城市化的進(jìn)程。



19世紀(jì),第二次工業(yè)革命,以電氣化為特征。由于在實驗室里面發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)規(guī)律,從而發(fā)明了電動機(jī)和發(fā)電機(jī)。當(dāng)時,美德兩國處于領(lǐng)先地位,電力的廣泛應(yīng)用及石油的大量開采,將科學(xué)技術(shù)成就循序運用到生產(chǎn)中,推動了世界經(jīng)濟(jì)的迅速增長,進(jìn)一步改變了人民的生活方式;壟斷資本影響國家和世界的政治和經(jīng)濟(jì)生活;加強(qiáng)了世界聯(lián)系,同時帶來了環(huán)境污染。


工業(yè)革命是技術(shù)和科學(xué)交叉推動,科學(xué)推動技術(shù),技術(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用,應(yīng)用對技術(shù)提出要求,技術(shù)要解決問題,又想辦法從科學(xué)上來解決,以此循環(huán)。好比,第一次工業(yè)革命是從技術(shù)開始,然后到科學(xué),再到技術(shù)。第二次工業(yè)革命就不一樣了,完全是從科學(xué)開始,然后到技術(shù)再到科學(xué)。


20世紀(jì), 第三次工業(yè)革命,以信息化為特征。從科學(xué)出發(fā)到技術(shù)再到科學(xué),由此發(fā)展。通過原子物理、量子力學(xué)、固體物理、現(xiàn)代光學(xué)和半導(dǎo)體科學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn),使得我們在半導(dǎo)體晶體管、集成電路、激光、光纖、電磁波、巨磁阻效應(yīng)等方面,得到了技術(shù)性的發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)了電子技術(shù)、微電子技術(shù)、原子能技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、新材料技術(shù)、信息技術(shù)等一系列新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。那么,新的工業(yè)革命驅(qū)動力是什么?1.能源和環(huán)境問題突顯, 全球可持續(xù)發(fā)展面臨巨大壓力過去北冰洋都是冰,北極熊覓食時,在冰上打個洞,魚游過來,就可以撈魚吃??墒?,隨著冰川融化,沒有地方打洞,最終造成大熊吃小熊,這也是人們?nèi)ヂ糜螘r能看到小熊骨骼的原因。倘若北極格陵蘭島冰蓋全部融化,海平面將上升7.2米!對上海來說,浦東海拔高度和海平面距離不到2米,浦西只有3到4米。如果海平面上升7.2米,意味著浦東要全部浸到水里去了。

2. 人類不斷追求更加美好的生活我們過去看黑白的電視,后來看彩色的電視,屏幕越來越大,將來可能會看看立體的電視。激光全息攝影就是其中一種方案,人們也在為之研究。3. 信息科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展為工業(yè)革命創(chuàng)造條件現(xiàn)在基于物質(zhì)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)、微納米器件和制造新技術(shù);基于腦科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)發(fā)展,促進(jìn)高度智能化;數(shù)字化發(fā)展成為大數(shù)據(jù),程序化發(fā)展到智能化,小型化發(fā)展到微納化,網(wǎng)絡(luò)化由機(jī)—機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到人—機(jī)—物網(wǎng)絡(luò)。


舉個例子,現(xiàn)在集成電路發(fā)展非常困難,尺寸越來越小,摩爾定律接近臨界,將來可能就要研究自旋電子學(xué)。自旋電子器件高速度、低功耗,可實現(xiàn)更高集成度,還能融合光、電、磁,實現(xiàn)存儲、計算、傳感為一體的器件,從而實現(xiàn)更高速的集成電路。



信息、生物、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的一些重大突破已出現(xiàn)萌芽,很多思想、理念、技術(shù)都會發(fā)生大的躍變。人類進(jìn)入后IT時代,迎接智能時代。



所以第一次工業(yè)革命是機(jī)械化,第二次工業(yè)革命是電氣化,第三次工業(yè)革命是信息化,第四次工業(yè)革命總趨勢就是智能化。它的特點就是智慧融入物理的實體系統(tǒng)里面,簡稱智慧融物?,F(xiàn)在第四次工業(yè)革命有以下三個特征:信息科學(xué)技術(shù)在物理數(shù)學(xué)生物基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升;多領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)和發(fā)明多軌并行、交叉推動;信息科學(xué)技術(shù)和多領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)深度融合,將信息滲透到各個領(lǐng)域,由此用信息技術(shù)提升能級。



新工業(yè)革命的技術(shù)態(tài)勢有六個方面:第一個,智能化分布式新能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng);第二個,智能化復(fù)雜體系、人工智能、智慧城市;第三個,智能化制造技術(shù)、先進(jìn)材料、極端制造;第四個,智能化診斷、修復(fù)技術(shù)、智慧醫(yī)療;第五個,傳統(tǒng)工業(yè)的智能化升級;第六個,互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)。

迎接智能時代

智能時代的特點就是智能化的系統(tǒng),這是它的核心。智能化的系統(tǒng)有三根支柱,動態(tài)感知、智慧識別、自動反應(yīng):


首先它是要動態(tài)感知,就是像我們的眼睛,耳朵等五官,可是,二維碼、條形碼不是動態(tài)的,它們是事先做好放在那里的。所以智能化的系統(tǒng)里面,我們要靠傳感器,達(dá)成動態(tài)感知,而傳感器則是代替我們五官的。

第二個就是要智慧識別,識別就是要分析,相當(dāng)于我們的腦子。這里面要靠大數(shù)據(jù)的分析,大數(shù)據(jù)的分析有兩個方面,一個是文本大數(shù)據(jù),是現(xiàn)成的,另一個是物理大數(shù)據(jù),是通過測量得到的,比如天氣預(yù)報,我們?nèi)梭w看B超,做CT, 要更加注重物理過程的規(guī)律、模型、方法。通過規(guī)律發(fā)現(xiàn)規(guī)律,事半功倍。第三個就是要自動反應(yīng)?,F(xiàn)如今我們有基礎(chǔ)信息平臺,有互聯(lián)網(wǎng),有物聯(lián)網(wǎng),有集成電路,有芯片技術(shù),有通訊技術(shù)5G的技術(shù),能大大提高自動反應(yīng)。



例如,一個打乒乓球的機(jī)器人,是典型的智能化系統(tǒng),因為首先它看得見乒乓球,這是動態(tài)感知,第二個它要算這個乒乓球彈起來怎么樣,第三個是它反應(yīng),把它打回去,在智能化的系統(tǒng)中,一個是人工智能,一個是智慧地球。人工智能在工業(yè)上已經(jīng)用得非常普遍。



德國慕尼黑的寶馬工廠里,有5000個人,里面1000個是機(jī)器人。在智慧地球里面,包括智慧空天海地、智慧能源環(huán)境、智能制造等?!爸腔鄣厍?= 互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)”,這是IBM總裁的定義。溫總理在無錫有一段講話,“把所有通過物品,通過信息傳感的設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行智能化處理,這個就是物聯(lián)網(wǎng)了。”

智能系統(tǒng),是在某一區(qū)域中智能化運行某一行為。比如在家庭智慧的老幼監(jiān)視系統(tǒng)或者設(shè)備控制系統(tǒng);在小區(qū)智慧的能源調(diào)控系統(tǒng);在工廠智慧的物流系統(tǒng)等。所以智能系統(tǒng)是一定在一個區(qū)域內(nèi),實行一個、兩個或者三個行為。如果說區(qū)域越來越大,行為越來越多,那么你的智慧度就越來越高。

在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算的基礎(chǔ)信息化技術(shù)上,智慧城市至少應(yīng)該有四層架構(gòu):感知層、互聯(lián)層、分析層、反應(yīng)層,進(jìn)而在城市綜合管理、 交通物流貿(mào)易、能源環(huán)境安全、 醫(yī)療文化教育和城市社區(qū)安居五大方面獲得廣泛應(yīng)用。


其中包含兩個核心的技術(shù),一個是實時感知技術(shù),是通過傳感器芯片來實現(xiàn)。第二個是智慧分析系統(tǒng),通過模型和大數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn),比如人體心臟監(jiān)視器,數(shù)據(jù)分析中心實時獲取心臟信息后發(fā)送出去,如果發(fā)現(xiàn)你的心電圖有什么問題,馬上就可以采取措施,這就是智慧的醫(yī)療。

首先是傳感器,就是一個器件,它是代替我們?nèi)说难劬?、鼻子、耳朵,把光聲熱電子生物過程變成電。比如光電傳感器來說,非常重視基礎(chǔ)研究,它提供方法、手段、模型、理論。既然是不同運動形式的器件,我們需要發(fā)現(xiàn)其規(guī)律,進(jìn)行在技術(shù)上提高、實現(xiàn),從而做成了傳感器,這個就發(fā)展了光電芯片技術(shù)。



另外,用不同波段探測器,可以看到不同信息。因為不同的波段有不同的特征,所以要做不同波段的探測器。比如短波紅外,可見光和近紅外,都有不同的用處?,F(xiàn)在照相機(jī)是可見光的,如果能發(fā)現(xiàn)規(guī)律,能做出不同波段的探測器,其應(yīng)用面將非常寬廣。



波長再長就是太赫茲(THz),其應(yīng)用面很廣,包括地垢油的監(jiān)測,醫(yī)學(xué)二維成像,安全(爆炸物探測),雷達(dá)建模等。這里面有核心技術(shù),比如說要做特殊靈敏的探測器、非夲征Ge光電探測器,場效應(yīng)晶體管探測器,肖特基勢壘探測器等等。



我們最近發(fā)現(xiàn)一個新現(xiàn)象:窄禁帶半導(dǎo)體MSM結(jié)構(gòu)與THz光場相互作用,外部電磁波(光子)入射到器件上,將在半導(dǎo)體材料中誘導(dǎo)勢阱,從而束縛來自于金屬中的載流子,使得材料中載流子濃度發(fā)生改變,出現(xiàn)載流子集聚。



紅外,不僅可以在黑暗里面看清圖象,同時還能看到溫度分布。我們可以用鐵電薄膜、氧化釩等,制造室溫工作的紅外探測器,根據(jù)科學(xué)道理,分析不同溫度的物體,以及對外輻射的能量分布。這也是現(xiàn)在疫情期間,經(jīng)常用來探測體溫的。



再比如說火情監(jiān)控,可以通過固定式紅外監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)載紅外火情預(yù)警、紅外衛(wèi)星等紅外探測技術(shù),及時準(zhǔn)確地穿透煙霧,發(fā)現(xiàn)火點以及火場被困人員。智能時代背景下光電傳感器需求,有以下幾點:少光子、單光子、光子數(shù)可分辨紅外探測器;超大規(guī)模焦平面列陣器件;不同波段光電器件;多波段融合光電器件;室溫工作紅外焦平面器件;新型讀出方式焦平面器件。要清楚材料器件結(jié)構(gòu)中物理過程,并能精細(xì)描述和控制,從而提升技術(shù)水平并達(dá)成創(chuàng)新。



因此,傳感器是智能化系統(tǒng)一個非常重要的核心技術(shù)。發(fā)展高性能的傳感器芯片非常重要,用更低的成本,實現(xiàn)更快的速度,更智能化的應(yīng)用。有了好的傳感器,就能握緊核心技術(shù),再通過互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),把傳感的信息傳出去加以分析,進(jìn)而達(dá)成多功能集成化、無線通信化、柔性化、微型化。


第二個核心技術(shù),就是智慧分析,模型分析,大數(shù)據(jù)分析。我們現(xiàn)在是處在一個波動世界里面,空間引力波、電磁波、機(jī)械波,這個波就有頻率、強(qiáng)調(diào)、位相、偏振,通過對于波的分析,就可以得到很多信息。

舉個例子,蘋果、櫻桃、梨、葡萄光譜不一樣。我們每個人穿的衣服光譜也不一樣,當(dāng)我們獲取波譜特征,并存入數(shù)據(jù)庫后,應(yīng)用時就可以,將測量到的波譜,對比數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),即可進(jìn)行分析判斷。醫(yī)學(xué)成像信息大數(shù)據(jù),則是利用成像結(jié)合光譜,從而進(jìn)行識別。

所以,智能芯片則是將分析和傳感器的芯片結(jié)合在一起,采集波的特征,制作數(shù)據(jù)庫,形成自己的系統(tǒng)。

重視基礎(chǔ)研究是非常重要的,基礎(chǔ)研究是歷次工業(yè)革命的科學(xué)源泉,又在歷次工業(yè)革命中得以發(fā)展?;A(chǔ)研究將推動第四次工業(yè)革命發(fā)展,將在智能時代背景中催生新發(fā)現(xiàn)新技術(shù)。所以這也是科學(xué) - 技術(shù) - 科學(xué) - 技術(shù)之間不斷應(yīng)用,根據(jù)科學(xué)技術(shù)本身的規(guī)律來研究,來推動它的發(fā)展。

現(xiàn)在新工業(yè)革命對制造業(yè)也會有一些影響,首先,工業(yè)革命總是與科技革命相伴而生,制造業(yè)也逐漸從傳統(tǒng)邁向智能化時代,因為隨著工業(yè)機(jī)器人、3D打印、數(shù)字化工廠的出現(xiàn),取代了人工,使勞動力成本占總成本的比例不斷減小,使我國很多制造行業(yè)面臨生存危機(jī),但也促進(jìn)了人工智能機(jī)器人的發(fā)展。而且將來網(wǎng)絡(luò)共享的經(jīng)濟(jì)模式會出現(xiàn)分布生產(chǎn)模式,智慧工廠和互聯(lián)網(wǎng)工廠。



與此同時,也會提倡低碳化、綠色的生產(chǎn)與生活方式,突破一些關(guān)鍵技術(shù),其中包括可再生能源技術(shù)、儲能技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、新能源技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)這些普遍的技術(shù),還包括很多特殊的技術(shù)、傳感的技術(shù)、分析的技術(shù)等等。



制造業(yè)轉(zhuǎn)化的趨勢,有以下五點:原來主要是靠資源和投資驅(qū)動的,現(xiàn)在靠技術(shù)進(jìn)步。原來是生產(chǎn)能力的擴(kuò)張,現(xiàn)在是技術(shù)能力的積累。原來是生產(chǎn)型的制造,向服務(wù)型的制造發(fā)展。原來是處在制造業(yè)價值鏈的低端向價值鏈的高端發(fā)展。原來是擠壓環(huán)境,現(xiàn)在是對環(huán)境友好。

關(guān)于新工業(yè)革命的應(yīng)對措施,政府應(yīng)該做好推進(jìn)新工業(yè)革命的頂層設(shè)計。其次,要積極投資新工業(yè)革命需要的重要基礎(chǔ)設(shè)施,包括宏觀的新基建,還包括每個鎮(zhèn)、鄉(xiāng)、城市、省的設(shè)施。另外,要培育創(chuàng)新環(huán)境,推動技術(shù)創(chuàng)新浪潮。構(gòu)建未來產(chǎn)業(yè)的培育體系,引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。


最后,推動適應(yīng)新工業(yè)革命需要的機(jī)制體制建設(shè)。其中幾方面工作要加強(qiáng),第一,加強(qiáng)科學(xué)規(guī)律和核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的三部曲。第二,加強(qiáng)實驗室成果的中試研發(fā),企業(yè)要提早介入,政府要分擔(dān)風(fēng)險。第三,切實加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作,建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合實驗室、聯(lián)合研發(fā)中心,政府要引導(dǎo)支持。第四,要提高企業(yè)的自主創(chuàng)新意識,增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力。

最后,老子曾說:“有道無術(shù),術(shù)尚可求也。有術(shù)無道,止于術(shù)?!?莊子曾說:“以道馭術(shù),術(shù)必成。離道之術(shù),術(shù)必衰?!?。這兩句話將科學(xué)規(guī)律和技術(shù)的關(guān)系,表達(dá)得淋漓盡致。

培育創(chuàng)新能力



培育創(chuàng)新能力,對于一個單位、科學(xué)家、工程師、學(xué)生都是重要的,關(guān)鍵是人。第一要遵循客觀規(guī)律,尤其是發(fā)現(xiàn)規(guī)律,開發(fā)技術(shù),實際應(yīng)用特別重要,要把關(guān)系處理好;第二要修煉內(nèi)在的素質(zhì),勤奮,有好奇心,有創(chuàng)新精神,要漸進(jìn),不要浮躁,有遠(yuǎn)大志向;第三要凝聚驅(qū)動的力量,驅(qū)動的力量非常重要的是興趣,要有興趣來做這件事,只有產(chǎn)生興趣才能做得最好;第四要有責(zé)任的驅(qū)動,我們是人,有精神的驅(qū)動,責(zé)任的驅(qū)動;最后要培養(yǎng)一種極致的精神,就是精益求精,一絲不茍。



結(jié)語



每一位院士都是中國科學(xué)界的棟梁,中國科技領(lǐng)域的中流砥柱,對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著高屋建瓴的見解,也引領(lǐng)者我們國家最前沿科學(xué)的發(fā)展方向。




從褚君浩院士的報告中,多次強(qiáng)調(diào)傳感器在第四次工業(yè)革命中的重要作用,也是中國邁入智能時代的核心技術(shù)。然而我國傳感器產(chǎn)業(yè)羸弱,核心技術(shù)掌握不多,是整個中國傳感器產(chǎn)業(yè)亟需改變的現(xiàn)狀。


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