走到便利店門前，大門自動打開；想知道明天會不會有颱風，看一下天氣預報就能知道颱風走到了哪裏；想解鎖手機，無需輸入密碼，用指紋或者刷臉就能輕鬆解鎖……

這些我們生活中早已習以爲常的小細節，其實都是智能化的體現。而這些智能化，都離不開一個關鍵的器件——傳感器。

人可以通過耳、目、鼻、脣、舌瞭解這個世界，而傳感器就相當於機器的五官，能夠讓機器感知這個世界。

什麼是傳感器？

它在我們的生活中有何應用？

在國外技術封鎖的情況下，中國傳感器是如何一步步發展起來的？

中國科學院院士褚君浩先生，爲我們介紹中國的科學家如何從無到有，突破從材料到器件的研發，打破外國的技術封鎖，掌握了傳感器中關鍵的碲鎘汞核心技術，塑造中國第四次工業革命的智能化時代。

褚君浩中國科學院院士中國科學院上海技術物理研究所研究員

大家好，我今天想跟大家交流一下傳感器與物聯網。

我們現在即將迎來第四次工業革命的時代。

第一次工業革命實現了機械化，第二次工業革命實現了電氣化，第三次工業革命是信息化。

現在我們處在第三次工業革命後期——信息化高度發展時期，接下來我們將會邁入第四次工業革命的智能化時代，就是把智慧融入到一個物理實體系統裏面去。

智能時代的最大特徵就是智能化系統，它有兩大用途，一個是人工智能，第二個就是智慧地球，但這些都要靠背後的三大支柱來實現：

動態感知，靠傳感器實時得到信息；

智慧設備，對收集的信息進行分析；

自動反應，分析信息後馬上採取反應。

比如同濟大學發明的這個機器人，得了上海市發明一等獎，它可以看到球，然後分析球在哪裏，最後把球撲下去。

這裏面就是三大支柱在發揮作用，先動態感知“看”到這個球，然後對信息進行分析，之後採取反應把球撲住。

在這個過程中，傳感器是必不可少的。傳感器有許多類型：光傳感器、電傳感器、磁傳感器、熱傳感器、聲傳感器、機械傳感器……

以光傳感器爲例。光是電磁波，有不同的波長頻率和波段。

下面這張圖上看到的可見光是紅橙黃綠青藍紫，比紅顏色長的就是紅外，近紅外、短波紅外等等，比紅顏色波長短的就是γ射線、X射線、紫外線等等。

不同波段的傳感器，得到的信息是不一樣的。

比如同一個人，最左面可見光拍出的照片是這樣，但是短波紅外是另外一個樣子。所以使用不同的波長照相，照出來的人是不一樣的。

比如一個蘋果，在可見光下這個蘋果看起來很好，但是用短波紅外一看，這個蘋果其實是爛的。

這個人的可見光照片是下面這個樣子，但是用短波紅外一看，他的鬍子和鬢尖都是假的。所以這個人要麼是演員，要麼就是可疑分子。

因爲不同的波段得到信息是不一樣的，所以我們要做不同波段的探測器。這裏面的關鍵就在於科學技術，需要材料科學、物理科學來供應不同的材料，做不同的器件。

說到這裏，必須要提一下湯定元院士，他是我們國家最早做碲鎘汞研究的人。

碲鎘汞就是用來做紅外探測器的，不同波段的探測器都可以做。當時我也很年輕，1978年考研究生，跟湯定元先生研究碲鎘汞的物理性質。

湯定元先生

兩年前我們放了一個風雲四號衛星，它拍的這15張圖，每一張圖都是一個波段，都是用碲鎘汞的紅外探測器做成的像。

右面那張圖，是我們大氣的CT，每一層大氣都可以做出它的溫度跟溼度。這是非常前沿的技術，國際上要三年以後才能放這樣的衛星。

我們現在的天氣預報，颱風到哪裏預報得很準，是怎麼做到的？就是因爲我們有紅外探測器在天上，晚上也能夠看到風雲。

可見光的探測器白天可以看，紅外探測器夜裏也可以看，所以氣象報告就可以非常準確。

而這些進步的關鍵——碲鎘汞的核心技術，完全掌握在我們自己手裏。湯定元先生在60年代70年代那個時候就知道，這個要自己來搞。

而且高端的紅外探測器不能進口，所以幾十年下來，從物理到材料到器件，全部是我們的技術物理研究所自己來做。

除了碲鎘汞探測器，我們現在還在發展太赫茲探測器。一個T是10的12次方，變成波長的話，就是300微米，也就是遠紅外，這個波段特別有用。

許多分子的特徵頻率都在這個波段，所以用太赫茲可以用來做醫學二維成像、光譜分析、氣體檢測、食品檢測，甚至是不是地溝油都可以看出來。

比如下面這張圖是太赫茲光成像的牙齒。當然我們也可以用X光拍照，但用X光拍牙齒，一定要跟醫生說拿個東西給我蓋一蓋，如果不蓋的話，對甲狀腺會有影響。

但是用太赫茲傳感器看牙齒就沒有這個問題，因爲它對人體沒有影響。

下面這張圖片，左邊是可見光照片，看起來很正常，但用太赫茲光拍照，裏面帶的槍跟兇器都可以看到。

所以現在好多地方都有這種太赫茲探測器，來檢查人身上有沒有帶違禁物品。

我們現在還發現了一種新現象，當太赫茲光波從上面下來的時候，窄禁帶半導體金屬結構中的載流子會從金屬跑到窄禁帶半導體裏面去，從而使電導率發生變化。

所以電導率一變，我們就知道是有太赫茲光進來了。

我們發現了這個現象，在這個基礎上發明了一種新的太赫茲探測器，非常靈敏，比現在所有的雙用探測器的靈敏度要高三個數量級，這也是我們從並跑到領跑的一個歷史見證。

傳感器在我們的生活中有什麼用？

比如沙林毒氣，還有黑炸藥爆炸事件，都造成了好多人的傷亡，原因就是因爲沒有傳感器報警。如果說我們有毒氣報警，有炸藥報警，事先就可以避免這樣事情的發生。

最近也有一種聚合物熒光淬滅效應，這個聚合物能發熒光，但是如果有哪一位帶了TNT進來了，這個熒光一下就淬滅了。

熒光一淬滅，就知道有人帶了TNT分子進來，現在可以做出這麼敏感的報警裝置。

現在的大型會議，很多都放了這樣的報警裝置。

我們現在除了光電傳感器以外，還要發展其他傳感器，比如紫外、紅外、聲響、電磁、單光子等傳感器，同時還要發展多頻譜範圍的傳感技術，發展單細胞、單分子、單原子等信息傳感技術。

因爲傳感器是我們人工智能、智慧城市、智能化系統的第一根支柱，所以發展高性能的傳感器芯片非常重要，用更低的成本，實現更快的速度，更智能化的應用，還要可穿戴。

褚君浩在院士Talk現場

除了傳感，智能系統中還包括另一個核心技術，那就是分析。傳感得到了信息，不能分析也無法解決問題。

我們身邊有引力波，有電磁波，整個世界就是一個波動世界。

作爲一個波，它就會有頻率、位相、偏振、波長……再加上時間軸空間軸，會產生大量數據，這些數據就可以用於智慧設備，比如遙感，比如物理探測，比如醫療，比如我們的生命體……

如果我們每個人身上帶一個心臟傳感器，會把我們的心電圖、設施的採集送到中心，由中心來分析病人情況正常還是不正常。

如果它分析出來不正常，就可以通過北斗定位找到這個病人，馬上採取措施。

這樣的智能系統就就是一個靈魂，一個智慧，一個大腦，是一個非常重要的方面。

我們做了一個玉兔系統放在月亮上，它在月亮上面收集月表土壤的光譜，然後去進行分析，看看月亮表面是什麼元素。

最近我們也放了一個在月亮背面，就是嫦娥四號，要研究月亮裏面到底是什麼東西。

傳說過去多少億年以前，有一顆隕石打到月亮的裏面去，使月亮裏面的物質到了月亮表面，落到盆底上。

嫦娥四號就在那個表面移動，收集它的光譜，從光譜來分析到底這個顏色是什麼成分，而這個顏色的成分也就是月亮裏面的物質的成分，這個也就是智慧分析。

得到信息再智慧分析，可以爲我們做好多事情。例如我們現在醫學上面大量用到成像技術，比如肺部小結節是不是毛玻璃等等。

如果我們結合了光譜，就可以進一步分析出來到底是良性還是惡性，這些研究現在都在進行。

所以我們現在的建設要有人工智能，還要發展智慧地球。

溫總理說，把所有的物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，進行智能化的設備和管理，這個樣子就是一個物聯網的體系。

所以我們智慧地球是互聯網加上物聯網，還要加上智慧設備。它可以爲我們建設智慧城市、智慧社區、智慧樓宇、智慧校園等等，能夠做好多方面的工作。

謝謝大家！

本次演講源自於「院士TALK」系列第二期現場。「院士TALK」系列活動是由上海組織部發起並主辦，造就承辦的科普品牌活動，定期邀請中國科學院和中國工程院院士進行沉浸式演講，旨在向廣泛的社會公衆普及最前沿的科學知識和科研成果，展現卓越的科學家精神。

（本文未經造就授權，禁止轉載。）

編輯 | 田曉娜；

視頻 | 盼盼