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從現(xiàn)在到未來50年，傳感器將如何改變世界？
2019-04-14
2011年，網(wǎng)景公司創(chuàng)始人與風(fēng)險投資家馬克·安德森提出了非常具有創(chuàng)見，而且已經(jīng)成為現(xiàn)實的觀點：“軟件正在吞噬世界”。到今天，如果把句子中的“軟件”替換為“傳感器”，這一觀點同樣適用。
據(jù)預(yù)測，到2020年，全球?qū)⒂?000億個傳感器遍布于我們的日常生活中，市場規(guī)模將達(dá)到105億美元，而可打印的柔性傳感器的市場規(guī)模將達(dá)到73億美元。
那么，在今天，傳感器到底已經(jīng)有哪些用途？在未來，甚至在未來50年，傳感器又將經(jīng)歷怎樣的進(jìn)化，并將如何改變世界？
一、今日無處不在的傳感器
從消費電子到農(nóng)業(yè)、從交通到醫(yī)療、從能源到航空航天，從工業(yè)到城市管理，傳感器已經(jīng)深度融入人類生產(chǎn)與生活。
1.消費電子
在消費電子領(lǐng)域，隨著人類對功能需求的不斷增加，各類產(chǎn)品集成的傳感器也越來越多。比如，在智能手機中就裝有光線傳感器、距離傳感器、重力傳感器、陀螺儀、GPS、指紋傳感器等十多種傳感器。
2.農(nóng)業(yè)
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過安裝在動物身上或農(nóng)舍中的傳感器，我們可以實時監(jiān)測動物健康狀況和各種風(fēng)險，以最大限度地減少動物疾病和死亡率，并提高生產(chǎn)力和生育率。通過田間的傳感器，我們可以精確了解天氣和土壤數(shù)據(jù)，以便確定種植、灌溉、施肥和收割的最佳時間。
3.建筑
在智能建筑中，傳感器可以實時監(jiān)測建筑內(nèi)部的空氣質(zhì)量、光照強度、煙霧濃度、溫度變化等數(shù)據(jù)，從而讓我們更好地管理室內(nèi)空氣質(zhì)量，減少能源消耗，改善居住和工作環(huán)境。
4.醫(yī)療保健
在醫(yī)療保健方面，傳感器可以用于糖尿病、高血壓等慢性疾病患者的藥物和生活方式的管理，還可以幫助子女或護工實時監(jiān)測患有老年癡呆癥或阿爾茨海默氏癥等疾病的老年人的行為。在發(fā)現(xiàn)異常時，可以即時尋求醫(yī)生幫助或呼叫急救服務(wù)。
通過傳感器，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程監(jiān)控患者心率、血壓、血糖、心電等健康指標(biāo)，并通過可服用電子藥丸，了解患者服藥情況和治療情況，以及時給出指導(dǎo)建議。總體而言，傳感器可以降低醫(yī)院成本，提升醫(yī)療質(zhì)量，減少昂貴的緊急入院費用的頻率和住院治療費用。
5.城市管理
對于城市管理部門，傳感器可以幫助管理人員實時掌握燃?xì)?、電力、自來水、污水等地下線路及設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況；可以實時監(jiān)控道路車輛與行人流量，及時調(diào)整交通運輸策略，以減少交通擁堵；可以告訴汽車駕駛員何處有空余車位，以避免不必要的時間浪費，并減少碳排放；甚至可以發(fā)現(xiàn)并追蹤疾病的爆發(fā)與傳播路徑。
6.其他領(lǐng)域
沒有傳感器，就沒有物聯(lián)網(wǎng)，也就沒有工業(yè)4.0。在工業(yè)、能源、軍工等領(lǐng)域，傳感器可以實現(xiàn)對設(shè)備的預(yù)測性維護，通過對傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以對潛在的問題做出反應(yīng)，從而最大限度地降低設(shè)備停機成本。
二、更加精彩的未來
未來，傳感器將變得更小、更便宜、更準(zhǔn)確、更靈活、更節(jié)能、更環(huán)保，能夠收集更多類型的數(shù)據(jù)，并集成越來越多的新技術(shù)。
1.更小，更便宜
隨著各種新平臺和新材料的應(yīng)用，制造商可以制造更小的傳感器，其性能可以與毫米級和微波級的電子元器件一樣高，并且隨著更少的硅的應(yīng)用，成本將大幅降低。同時，新平臺還會降低傳感器的設(shè)計、開發(fā)和制造成本。
從長遠(yuǎn)來看，可自我校準(zhǔn)的傳感器具有非常高的成本效益。通過自動校準(zhǔn)，可以減少傳感器的維護次數(shù)和時間，并大幅降低維護成本。另外，可自我修復(fù)的傳感器將會有更廣泛的應(yīng)用范圍，并使維護成本更低，特別是在發(fā)生各種災(zāi)難和風(fēng)險時將大有用處。
2.更高的準(zhǔn)確性
目前，多通道協(xié)作頻譜感知的研究還處于初期階段。未來，一旦技術(shù)成熟，它將比現(xiàn)在的單通道傳感器提供更精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
更準(zhǔn)確、更可靠和可復(fù)制的傳感器將在醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域擁有更多的應(yīng)用場景，其實現(xiàn)的功能也更加強大。
3.更靈活且更柔性
柔性傳感器是未來傳感器發(fā)展的一個重要方向。目前，柔性光傳感器、PH傳感器、離子傳感器和生物傳感器仍處在早期開發(fā)階段。在未來，這些柔性傳感器將擁有更多創(chuàng)新應(yīng)用，如人造皮膚、可穿戴傳感器和微動傳感。
通過微線技術(shù)和磁場，傳感器可以像頭發(fā)絲一樣纖細(xì)，而又具有彈性，不需要電源，可以無接觸地測量溫度、壓力、拉力、應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)和位置。
4.更好的感知與更多的數(shù)據(jù)
未來的傳感器將更有效地模仿人類的感官，來檢測、處理和分析復(fù)雜的信號，如生物危害、氣味、材料壓力、病原體和腐蝕等。例如，這些先進(jìn)的傳感器不僅僅能夠感知大量的單一分析物(例如二氧化碳)，還可以破解氣味中的每個組成部分。
此外，智能微塵是由振動驅(qū)動的微觀傳感器，可以監(jiān)控戰(zhàn)場、高層建筑或動脈堵塞等各種情況。
5.更多的醫(yī)療應(yīng)用
目前，很多與健康相關(guān)的傳感器主要用在娛樂和生活方式領(lǐng)域，它們的功能達(dá)不到醫(yī)療級的要求。未來，更多醫(yī)療級的傳感器將通過嚴(yán)格的監(jiān)管審批并實現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用。
隨著實驗室系統(tǒng)的微型化，將加速生物危害感知的新興技術(shù)的研發(fā)，可穿戴傳感器將成為真正的醫(yī)療級設(shè)備，而非簡單的生活和娛樂之用。醫(yī)療檢測將更加輕松，一臺檢測儀器可以分析更多的物質(zhì)，并減少對檢測樣品量的需求，比如，可以通過汗液和眼淚等體液即可完成健康檢測。
可吞服藥丸是實驗室系統(tǒng)微型化的一個應(yīng)用，例如，已經(jīng)有很多健康科技初創(chuàng)企業(yè)使用可吞服傳感器替代傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查，以減少患者的痛苦。還有一些科技公司研發(fā)的可吞服或可植入藥丸，可以在體內(nèi)長期持續(xù)給藥，讓患者的日常治療更為輕松。
6.更節(jié)能
當(dāng)前，大多數(shù)傳感器并不是很節(jié)能，因為其始終處于開啟狀態(tài)。未來，傳感器將變得更智能，并由特定條件驅(qū)動，只有當(dāng)達(dá)到某個條件時才能被激活，而當(dāng)它們處于待機模式時，幾乎沒有功耗。
此外，傳感器還可以從周圍環(huán)境中獲取能量，實現(xiàn)更長久的運行。例如運動、壓力、光線，或患者身體與周圍空氣的熱量差異等都可以成為傳感器的能量來源。
7.更環(huán)保
在未來，環(huán)境友好型和可生物降解的傳感器將日益受到歡迎。
例如，傳感器可以采用由細(xì)菌驅(qū)動的，可降解的紙基電池，此類傳感器可用于農(nóng)田管理、環(huán)境監(jiān)測、食品流通監(jiān)測或醫(yī)療檢測等領(lǐng)域，而不會污染環(huán)境。
8.更高的復(fù)雜性和更好的兼容性
通過協(xié)調(diào)工作，傳感器將獲得額外的復(fù)雜性。傳感器集群可以更好地協(xié)調(diào)傳感器之間的工作，并通過自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)來確定工作內(nèi)容和位置。
此外，各種新技術(shù)的采用，也將使傳感器變得更加多樣化。例如，通過激光技術(shù)，傳感器可以通過物質(zhì)獨特的光譜識別出物質(zhì)組成；飛行時間傳感器可通過紅外光脈沖測量兩個物體之間的距離；由晶體、特殊陶瓷、骨骼、DNA、蛋白質(zhì)等材料制造的壓電傳感器可以更好地對外部壓力和潛熱進(jìn)行響應(yīng)。
在未來，各種基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動傳感器技術(shù)的快速進(jìn)化。傳感器將變得更加小型化、人性化，人機交互更加友好；同時，它們將變得更加隱形，更加不易察覺。隨著傳感器更加深入地融入我們的日常生活，以及與AI等新技術(shù)的融合，在未來的互聯(lián)互通和自動化的世界中，傳感器將使我們的生活更加美好。
自傳感器誕生以來，由于它可以幫助人類將曾經(jīng)不可知、難判斷的信息變成易獲取、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，傳感器已經(jīng)成為數(shù)字化社會最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。從智能手機到智能語音設(shè)備，從能源平臺到工業(yè)設(shè)備，傳感器自然而然地“化身”為人類連接機器、人類自身，以及自然環(huán)境的外延器官。
隨著傳感器，以及與之相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲、儲能、新材料、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備等軟硬件技術(shù)的發(fā)展，還有成本的持續(xù)下降，傳感器的應(yīng)用場景將變得越來越豐富。據(jù)預(yù)測，到2020年，全球?qū)⒂?000億個傳感器遍布于我們的日常生活中，市場規(guī)模將達(dá)到105億美元，而可打印的柔性傳感器的市場規(guī)模將達(dá)到73億美元。
那么，在今天，傳感器到底已經(jīng)有哪些用途？在未來，甚至在未來50年，傳感器又將經(jīng)歷怎樣的進(jìn)化，并將如何改變世界？
一、今日無處不在的傳感器
從消費電子到農(nóng)業(yè)、從交通到醫(yī)療、從能源到航空航天，從工業(yè)到城市管理，傳感器已經(jīng)深度融入人類生產(chǎn)與生活。
1.消費電子
在消費電子領(lǐng)域，隨著人類對功能需求的不斷增加，各類產(chǎn)品集成的傳感器也越來越多。比如，在智能手機中就裝有光線傳感器、距離傳感器、重力傳感器、陀螺儀、GPS、指紋傳感器等十多種傳感器。
2.農(nóng)業(yè)
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，通過安裝在動物身上或農(nóng)舍中的傳感器，我們可以實時監(jiān)測動物健康狀況和各種風(fēng)險，以最大限度地減少動物疾病和死亡率，并提高生產(chǎn)力和生育率。通過田間的傳感器，我們可以精確了解天氣和土壤數(shù)據(jù)，以便確定種植、灌溉、施肥和收割的最佳時間。
3.建筑
在智能建筑中，傳感器可以實時監(jiān)測建筑內(nèi)部的空氣質(zhì)量、光照強度、煙霧濃度、溫度變化等數(shù)據(jù)，從而讓我們更好地管理室內(nèi)空氣質(zhì)量，減少能源消耗，改善居住和工作環(huán)境。
4.醫(yī)療保健
在醫(yī)療保健方面，傳感器可以用于糖尿病、高血壓等慢性疾病患者的藥物和生活方式的管理，還可以幫助子女或護工實時監(jiān)測患有老年癡呆癥或阿爾茨海默氏癥等疾病的老年人的行為。在發(fā)現(xiàn)異常時，可以即時尋求醫(yī)生幫助或呼叫急救服務(wù)。
通過傳感器，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程監(jiān)控患者心率、血壓、血糖、心電等健康指標(biāo)，并通過可服用電子藥丸，了解患者服藥情況和治療情況，以及時給出指導(dǎo)建議。總體而言，傳感器可以降低醫(yī)院成本，提升醫(yī)療質(zhì)量，減少昂貴的緊急入院費用的頻率和住院治療費用。
5.城市管理
對于城市管理部門，傳感器可以幫助管理人員實時掌握燃?xì)?、電力、自來水、污水等地下線路及設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況；可以實時監(jiān)控道路車輛與行人流量，及時調(diào)整交通運輸策略，以減少交通擁堵；可以告訴汽車駕駛員何處有空余車位，以避免不必要的時間浪費，并減少碳排放；甚至可以發(fā)現(xiàn)并追蹤疾病的爆發(fā)與傳播路徑。
6.其他領(lǐng)域
沒有傳感器，就沒有物聯(lián)網(wǎng)，也就沒有工業(yè)4.0。在工業(yè)、能源、軍工等領(lǐng)域，傳感器可以實現(xiàn)對設(shè)備的預(yù)測性維護，通過對傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以對潛在的問題做出反應(yīng)，從而最大限度地降低設(shè)備停機成本。
二、更加精彩的未來
未來，傳感器將變得更小、更便宜、更準(zhǔn)確、更靈活、更節(jié)能、更環(huán)保，能夠收集更多類型的數(shù)據(jù)，并集成越來越多的新技術(shù)。
1.更小，更便宜
隨著各種新平臺和新材料的應(yīng)用，制造商可以制造更小的傳感器，其性能可以與毫米級和微波級的電子元器件一樣高，并且隨著更少的硅的應(yīng)用，成本將大幅降低。同時，新平臺還會降低傳感器的設(shè)計、開發(fā)和制造成本。
從長遠(yuǎn)來看，可自我校準(zhǔn)的傳感器具有非常高的成本效益。通過自動校準(zhǔn)，可以減少傳感器的維護次數(shù)和時間，并大幅降低維護成本。另外，可自我修復(fù)的傳感器將會有更廣泛的應(yīng)用范圍，并使維護成本更低，特別是在發(fā)生各種災(zāi)難和風(fēng)險時將大有用處。
2.更高的準(zhǔn)確性
目前，多通道協(xié)作頻譜感知的研究還處于初期階段。未來，一旦技術(shù)成熟，它將比現(xiàn)在的單通道傳感器提供更精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
更準(zhǔn)確、更可靠和可復(fù)制的傳感器將在醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域擁有更多的應(yīng)用場景，其實現(xiàn)的功能也更加強大。
3.更靈活且更柔性
柔性傳感器是未來傳感器發(fā)展的一個重要方向。目前，柔性光傳感器、PH傳感器、離子傳感器和生物傳感器仍處在早期開發(fā)階段。在未來，這些柔性傳感器將擁有更多創(chuàng)新應(yīng)用，如人造皮膚、可穿戴傳感器和微動傳感。
通過微線技術(shù)和磁場，傳感器可以像頭發(fā)絲一樣纖細(xì)，而又具有彈性，不需要電源，可以無接觸地測量溫度、壓力、拉力、應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)和位置。
4.更好的感知與更多的數(shù)據(jù)
未來的傳感器將更有效地模仿人類的感官，來檢測、處理和分析復(fù)雜的信號，如生物危害、氣味、材料壓力、病原體和腐蝕等。例如，這些先進(jìn)的傳感器不僅僅能夠感知大量的單一分析物(例如二氧化碳)，還可以破解氣味中的每個組成部分。
此外，智能微塵是由振動驅(qū)動的微觀傳感器，可以監(jiān)控戰(zhàn)場、高層建筑或動脈堵塞等各種情況。
5.更多的醫(yī)療應(yīng)用
目前，很多與健康相關(guān)的傳感器主要用在娛樂和生活方式領(lǐng)域，它們的功能達(dá)不到醫(yī)療級的要求。未來，更多醫(yī)療級的傳感器將通過嚴(yán)格的監(jiān)管審批并實現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用。
隨著實驗室系統(tǒng)的微型化，將加速生物危害感知的新興技術(shù)的研發(fā)，可穿戴傳感器將成為真正的醫(yī)療級設(shè)備，而非簡單的生活和娛樂之用。醫(yī)療檢測將更加輕松，一臺檢測儀器可以分析更多的物質(zhì)，并減少對檢測樣品量的需求，比如，可以通過汗液和眼淚等體液即可完成健康檢測。
可吞服藥丸是實驗室系統(tǒng)微型化的一個應(yīng)用，例如，已經(jīng)有很多健康科技初創(chuàng)企業(yè)使用可吞服傳感器替代傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡檢查，以減少患者的痛苦。還有一些科技公司研發(fā)的可吞服或可植入藥丸，可以在體內(nèi)長期持續(xù)給藥，讓患者的日常治療更為輕松。
6.更節(jié)能
當(dāng)前，大多數(shù)傳感器并不是很節(jié)能，因為其始終處于開啟狀態(tài)。未來，傳感器將變得更智能，并由特定條件驅(qū)動，只有當(dāng)達(dá)到某個條件時才能被激活，而當(dāng)它們處于待機模式時，幾乎沒有功耗。
此外，傳感器還可以從周圍環(huán)境中獲取能量，實現(xiàn)更長久的運行。例如運動、壓力、光線，或患者身體與周圍空氣的熱量差異等都可以成為傳感器的能量來源。
7.更環(huán)保
在未來，環(huán)境友好型和可生物降解的傳感器將日益受到歡迎。
例如，傳感器可以采用由細(xì)菌驅(qū)動的，可降解的紙基電池，此類傳感器可用于農(nóng)田管理、環(huán)境監(jiān)測、食品流通監(jiān)測或醫(yī)療檢測等領(lǐng)域，而不會污染環(huán)境。
8.更高的復(fù)雜性和更好的兼容性
通過協(xié)調(diào)工作，傳感器將獲得額外的復(fù)雜性。傳感器集群可以更好地協(xié)調(diào)傳感器之間的工作，并通過自主學(xué)習(xí)系統(tǒng)來確定工作內(nèi)容和位置。
此外，各種新技術(shù)的采用，也將使傳感器變得更加多樣化。例如，通過激光技術(shù)，傳感器可以通過物質(zhì)獨特的光譜識別出物質(zhì)組成；飛行時間傳感器可通過紅外光脈沖測量兩個物體之間的距離；由晶體、特殊陶瓷、骨骼、DNA、蛋白質(zhì)等材料制造的壓電傳感器可以更好地對外部壓力和潛熱進(jìn)行響應(yīng)。
在未來，各種基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步將進(jìn)一步推動傳感器技術(shù)的快速進(jìn)化。傳感器將變得更加小型化、人性化，人機交互更加友好；同時，它們將變得更加隱形，更加不易察覺。隨著傳感器更加深入地融入我們的日常生活，以及與AI等新技術(shù)的融合，在未來的互聯(lián)互通和自動化的世界中，傳感器將使我們的生活更加美好。
（本文來源：中國儀表網(wǎng) 資本實驗室 作者：王進(jìn)）
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