传感器：未来制造业的智能“感官”

　　长期以来，人类获取信息的方式主要依靠自身的感觉器官，然而以这种方式获取信息是非常有限的。为了克服人体器官的局限性和自然条件的限制，人类模仿神经系统研发出了传感和遥感技术，极大地增强了人体获取外界信息的能力。如今的世界因传感器的存在和发展，物体也有了触觉、味觉和嗅觉等感官，世界变“活”了！

　　传感器不仅具有类似“感官”的功能，实际上它的能力已经大大超越人类的感官，它可以检测空气、土壤等物质的化学、物理成分，甚至可以早期感知人体的某些疾病。传感器在智能制造、服务、以及智能系统等方面表现出惊人的能力。

　　传感器——未来制造业智能化的关键

　　20世纪60年代，大规模集成电路在美国诞生。在1995年左右，集成电路技术为人类社会带来了根本性的改变。现在年轻人熟悉的互联网、无线通信、智能手机等都是大规模集成电路技术的变种应用。集成电路技术不仅促进了计算机技术、存储技术和显示技术的发展，而且也带动了微机电传感器技术的发展。

　　如今的智能手机，使用了大量的传感器。可以说，若没有这些传感器，智能手机不会像如今这样流行与普及。例如智能触屏手机，让我们无论是在暗室还是户外，都能以最舒服的屏幕亮度来观看屏幕内容。此外，哪怕是将手机放到耳边聊天，这个看似简单的操作，也至少包括了多款传感器在触觉、光亮度、水平度和距离等方面发挥作用，为你服务。

　　传感器不仅广泛应用于智能手机之中，也还被应用于工业控制、机器人、汽车等系统制造领域，以确保某些系统更安全、智能、自动化、舒适和方便。若说过去的50年是电子技术和集成芯片系统的繁荣发展期，那么未来几十年将是智能化系统的爆发期，其集成度和性能都将大幅提高。未来，传感器还会有哪些发展？将有哪些新的传感器被应用于智能系统中来？就让我们试着从自然界的感官中，寻得一些启示吧！

　　WOW，奇妙的生物传感器！

　　生物，它也有传感器？这个回答是肯定的。我们知道，生物的生存依赖于对环境的感知和快速反应，而生物对环境的感知和快速反应得益于生物拥有自己的传感器。生物体内的传感器是世界上耗能最小、可靠性最高的传感器。生物传感器把气味、味道等化学信息，声音和光线等物理信息，还有触觉等复杂信号传递给神经组织做处理。

　　当然了，人体也是有传感器的，正是依靠这些传感器，人才不去吃有毒或腐烂的食物，才能用手做精细的动作。人眼视网膜的视觉传感器可以感知月亮上的一座山，人的内耳神经元能帮助我们在嘈杂的房间里分析出特定人声。此外，人体内还有很多隐藏的传感器，如肌肉内部的力和力矩传感器等。

　　此外，除了人体有传感器，很多动物体内也有传感器，如鸽子能精确地测试磁场；眼镜蛇能测量红外线；苍蝇能定位声音的出处；鱼类的侧线系统是一个分布式的传感器，能让鱼类在湍流中感知水流对皮肤的触动，避让礁石等障碍物。马哈鱼正是因为体内有这种传感器，可以远行数千里游回到出生地，鲸也因此能长途迁徙。

　　TIPS 生物传感器优点大比拼

　　生物体内的传感器有自己独特的优势，如辨别噪声的能力、极其低的能量需要、长期的稳定性、超级低的灵敏度、极大的动态范围……更神奇的是，生物传感器用的可是有机材料，而人类制造的传感器用的都是无机材料呀！

　　生物传感器秘密知多少？

　　生物传感器为何如此神奇？它有哪些秘密？这些神奇功能的背后，有何还未被人类认知的机理秘密。一旦站在了大自然的面前，人类的知识往往就显得渺小了。譬如，人类目前对材料学的探究，就还无法成功复制出一个类似狗鼻子性能的嗅觉传感器。

　　但是，生物传感器本身的结构很简单，大部分是基于神经元末梢结构研制的。而神经元是用来处理信号的，但是末端的神经元是由各种化学物质和物理结构构成，它们可以让神经元感知环境。生物和人类的传感和思维是紧密相连的。生物体进化过程中，“思维”就是信号处理的延续，而“感知”本身就是某种计算。如纤毛神经细胞（hair cell）就是生物体传感器的基本构成元素。

　　现代电子学器件一般靠输出电压或频率信号工作。即便人类还无法理解神经元单元的输出信号，但神经元信号的基本工作原理已被人类掌握。其实，神经元信号是一系列的脉冲信号，可在人体内不受干扰的传递很远，但这在电子学里是无法实现的。神经元组织按照复杂的三维结构排列，人类目前也无法使用现代电子器件对其内部信号进行监测，且当前的任何检测手段（如神经元探针）都有可能破坏其组织，也无法达到很高的密度。

　　仿生传感器，让生活更智能

　　人类目前对生物传感器的研究，将引发一系列传感器研制的新思路、新设计及新材料的突破。通过这类仿生学的研究，我们的传感器将更灵敏、更可靠。如果传感器能大幅度降低体积和耗能，能实现手持，变得更加便携，就能给未来的物联网时代带来更大效益。

　　譬如，如果仿皮肤类的传感器研发取得新突破，机器人的触觉感官性能就将大大地增强。遗憾的是，目前人类对很多生物传感器的设计及其神经元的工作原理还未完全掌握，还不知道这些神经元信号在生物体内被如何处理，还不能复制生物感知的基本功能。

　　尽管，我们已经能把门的电路做得足够小，可一个神经元远比一个三极管小，而其功能却远超数个三极管的组合。人类目前制造的电路从大小、复杂度、空间三维集成等方面，距离造物主的终极设计起码还有10倍的差距。例如，生物体内的10个神经元堆叠在一起，其彼此间能够互相关联，但10个电路元件并在一起，还无法实现彼此间互相关联。

　　当然，这种差距要靠未来科技的持续进步来弥补。科学家认为，未来一百年中神经科学和材料科学的进步，将会逐步揭示未知生物体感知的秘密。美国加州理工学院的卡沃·米德教授（Carver Mead）对类神经细胞进行过深入的研究。卡沃·米德教授是微电子领域的先驱，他长期致力于神经元和三极管的研发工作，这是两个基本组成部件有大量相关性和一致性的智能系统。米德教授有很多学生也耕耘于此领域，如他的一位学生就发明了仿生纤毛细胞和智能皮肤。我们人类在仿生学领域，还有很长的路要走。尽管卡沃·米德教授在该领域已经耕耘了30多年，但他还没有揭开生物传感器神秘的面纱。

　　科学家深入地研究这些仿生的机理，将为未来制作业的智能化，带来哪些益处呢？请看：我们能让微电子进入下一个集成时代，实现传感器更可靠、稳定、低功耗的工作；可以让智能系统帮助老年人安度晚年，提高护理质量和效率；可以更早的预测疫病，如癌症和神经系统疾病的突发；可以预测心脏功能的衰竭；可以让人际沟通除了通过比如说微信外，还可以实现脑际间的直接互联；可以通过微创的手术机械，使医生能更精准地处理疑难的病症；能拥有具备特异功能的仿生鼻，可检测家里的空气质量和水质。试想，我们若有了这些传感器，机器将更加智能，生活也将更节能、更健康、更方便、更快乐。

　　科学是对自然的观察和解释，那些基于好奇的观察和解释，为人类带来了更多知识和更大的生活便利。若想仿生传感器未来服务于人类生活，我们仍需继续对生物传感器进行深入研究，早日揭开其功能及机理的神秘面纱。

　　撰文/刘昶（中国科学院电子学研究所）

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