MEMS和傳感器產(chǎn)業(yè)如何在物聯(lián)網(wǎng)大潮中分得更大的蛋糕？

物聯(lián)網(wǎng)正一步步成為現(xiàn)實(shí)，人、車、建筑和城市萬物互聯(lián)。據(jù)著名市場(chǎng)咨詢公司麥肯錫（McKinsey）預(yù)測(cè)，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的全球影響每年大約將在4萬億美元~11萬億美元之間。其中，MEMS和傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的感知層，是必不可少的基礎(chǔ)組成部分。那么，MEMS和傳感器產(chǎn)業(yè)如何在物聯(lián)網(wǎng)大潮中分得更大的蛋糕？答案之一在于潛力巨大的MEMS和傳感器初創(chuàng)公司。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，2019年的MEMS與傳感器高峰會(huì)議（MSEC）由SEMI在美國(guó)加州科羅納多島（Coronado Island, Calif.）舉辦，這是該領(lǐng)域每年一度不容錯(cuò)過的行業(yè)盛會(huì)，吸引了產(chǎn)業(yè)眾多推動(dòng)者和創(chuàng)新力量共同為產(chǎn)業(yè)把脈。在為期兩天的會(huì)議上，與會(huì)者進(jìn)行了熱烈的討論和交流，Technology Showcase突出了最新的MEMS和傳感器技術(shù)及應(yīng)用，評(píng)選出了6家快速成長(zhǎng)且極具前景的MEMS和傳感器初創(chuàng)公司，包括DNA搜索引擎，用于自動(dòng)駕駛汽車的4D激光雷達(dá)（LiDAR），以及醫(yī)療保健應(yīng)用的可穿戴生物傳感器。

Biolinq——MEMS微陣列血糖監(jiān)測(cè)

目前，大部分糖尿病患者大多通過指尖采血，使用血糖儀或連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀（GCM）來測(cè)量血糖。Biolinq開發(fā)了一種MEMS微陣列傳感器技術(shù)，該技術(shù)可作為一種維持7天的皮膚貼劑使用，能夠在不接觸血液的情況下傳輸用戶的代謝化學(xué)物質(zhì)。它可以評(píng)估患者的葡萄糖水平、變化趨勢(shì)以及食物或運(yùn)動(dòng)對(duì)血糖的影響。Biolinq首席技術(shù)官Joshua Windmiller說：“我確信這是當(dāng)前侵入性最小的血糖監(jiān)測(cè)方案，同時(shí)，可以實(shí)時(shí)提取臨床級(jí)信息?！?/p>

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，這款醫(yī)療器械由Biolinq開發(fā)的MEMS微傳感器陣列、包含精密電化學(xué)模擬前端的印刷電路板、32位微控制單元（MCU）以及一塊電池組成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)教O果iOS系統(tǒng)的相關(guān)應(yīng)用APP。與植入式系統(tǒng)不同，Windmiller解釋說，這種微傳感器陣列可以監(jiān)測(cè)真皮中的間隙液，這種間隙液僅存在于皮膚下方約一毫米的位置。據(jù)Biolinq稱，這種基于MEMS的無針GCM有望完全替代指尖采血方案。

Windmiller說：“我們產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是佩戴隨心所欲，沖浪、跑步都沒有問題，它密封性很好，不限于任何活動(dòng)?！盉iolinq的目標(biāo)是憑借其可穿戴傳感器貼片來重塑GCM用戶體驗(yàn)。

這款傳感器尺寸小巧（大約相當(dāng)于一枚硬幣大?。?，且應(yīng)用時(shí)毫無痛感。不過，為什么佩戴時(shí)間不能超過7天呢？

Windmiller回應(yīng)說：“該設(shè)備與人體連接，其中具有生物識(shí)別元素。我們?cè)O(shè)定為7天，是因?yàn)檫B續(xù)貼附一周后用戶會(huì)覺得它很癢?！?/p>

另外，為什么要使用鋰電池，而不是尋找一種能量收集方式來為這種一次性器械供電呢？

Windmiller解釋稱，公司正在探索其他化學(xué)電池方案，并透露其博士學(xué)位研究的正是生物燃料電池項(xiàng)目，能夠在生理體液中收集葡萄糖。

Windmiller總結(jié)稱，Biolinq的MEMS傳感器陣列應(yīng)用不僅限于葡萄糖?！霸谌梭w真皮中還包含多種其他代謝產(chǎn)物和電解質(zhì)。其中一些在運(yùn)動(dòng)生理和營(yíng)養(yǎng)學(xué)方面具有廣泛意義?！?/p>

Biolinq于2012年在加州拉霍亞（La Jolla, Calif.）成立，當(dāng)時(shí)名為Electrozyme LLC，現(xiàn)在已經(jīng)成功完成了兩項(xiàng)FDA批準(zhǔn)所需要的臨床試驗(yàn)。Biolinq已經(jīng)完成1500美元A輪融資，目前擁有25名員工。

Motus Global——基于MEMS IMU的運(yùn)動(dòng)管理

最近發(fā)表在《美國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志》上的一項(xiàng)研究顯示，在一個(gè)精心組織的長(zhǎng)距離拋投項(xiàng)目研究中，棒球投手意識(shí)的發(fā)力與實(shí)際測(cè)得的力并不一致。在實(shí)驗(yàn)中，六十名男性高中和大學(xué)棒球投手在其緊身護(hù)臂中佩戴了Motus Global傳感器，該傳感器能夠測(cè)量肘內(nèi)翻扭矩、手臂速度、出手位置和肩膀旋轉(zhuǎn)。

業(yè)界最小的高動(dòng)態(tài)范圍6軸慣性測(cè)量單元（IMU）

Motus Global生物力學(xué)與創(chuàng)新副總裁Benjamin Hansen介紹稱，Motus Global成立于2010年，致力于開發(fā)最大程度提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)并降低受傷風(fēng)險(xiǎn)的MEMS解決方案。

Motus Global推出的MotusThrow是美國(guó)職業(yè)棒球大聯(lián)盟（MLB）首次批準(zhǔn)比賽中使用的6軸高動(dòng)態(tài)范圍慣性測(cè)量單元（IMU），它可以記錄練習(xí)和比賽中每一次投擲的生物力學(xué)數(shù)據(jù)。它可以計(jì)算棒球投球期間尺側(cè)副韌帶（UCL）上的扭矩。

Motus Global開發(fā)的生物力學(xué)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)控軟件平臺(tái)，可以累計(jì)日常運(yùn)動(dòng)負(fù)荷、劇烈運(yùn)動(dòng)負(fù)荷、長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)負(fù)荷及其比率，以幫助球員和教練制定個(gè)性化的訓(xùn)練策略，優(yōu)化體能并降低投擲者手臂受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

Motus Global基于MEMS的IMU（包括三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)）也已經(jīng)應(yīng)用于一款FDA一級(jí)醫(yī)療器械中。這是一種旨在緩解膝蓋骨關(guān)節(jié)炎的護(hù)膝。它能夠?qū)Σ綉B(tài)生物力學(xué)進(jìn)行重復(fù)提取，并可以針對(duì)膝關(guān)節(jié)預(yù)康復(fù)活動(dòng)和康復(fù)應(yīng)用進(jìn)行遠(yuǎn)程家庭鍛煉。

當(dāng)談及Motus Global的傳感技術(shù)是否可以分析芭蕾舞者的雙腳負(fù)重時(shí)，Hansen的回答是肯定的，但是“我們更專注于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷管理”，例如棒球或板球等。

Motus Global總部位于紐約，據(jù)稱其2019年的營(yíng)收已經(jīng)超過100萬美元，預(yù)計(jì)2020年將創(chuàng)造超過210萬美元的營(yíng)收。該公司計(jì)劃在2021年第二季度實(shí)現(xiàn)盈利。

Cardea Bio——石墨烯場(chǎng)效應(yīng)生物傳感器

無論我們想知道什么，用谷歌或者百度搜索一下即可。那么，我們能不能對(duì)自己的基因組進(jìn)行谷歌搜索，并掌握有關(guān)自身遺傳學(xué)的特定信息呢？這就是總部位于加州的Cardea Bio所投身的事業(yè)，許多公司也已經(jīng)付諸努力。

Cardea Bio聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席生產(chǎn)官Ross Bundy說：“我們要做的是將生物學(xué)和數(shù)字世界融合為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，我們稱之為生物學(xué)互聯(lián)網(wǎng)?！盋ardea Bio開發(fā)了一種石墨烯場(chǎng)效應(yīng)生物傳感器，該傳感器能夠?qū)⑸锓肿诱系?a target="_blank">電子電路中，從而讀出其生物化學(xué)函數(shù)。Bundy說，這為應(yīng)用生物學(xué)打開了新大門，例如食品質(zhì)量控制、農(nóng)業(yè)、藥物檢測(cè)和獸醫(yī)學(xué)等。一個(gè)例子便是最近發(fā)布的Genome Sensor，它是一種基于CRISPR芯片技術(shù)運(yùn)行的DNA搜索引擎，用于編輯基因組并方便用戶“搜索他們的基因組”。

“誰都可以很方便地使用它，”Bundy說，“將樣本放在芯片上，然后插入計(jì)算機(jī)，便可得到結(jié)果。可以不做任何修飾就能看到基因組中是否存在相關(guān)序列。CRISPR芯片還僅是其中一種應(yīng)用，隨著我們將更多生物學(xué)信息引入系統(tǒng)，還可以開拓更多的應(yīng)用?！?/p>

當(dāng)被問及是否可以支持氣體時(shí)，Bundy表示Cardea Bio可以“對(duì)此進(jìn)行修改，但我們的大部分努力都是圍繞液體樣本的。我們暫時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)它不適用的生物學(xué)應(yīng)用?！?/p>

自成立以來的5年多時(shí)間里，Cardea Bio付出了巨大的努力，以確保其石墨烯材料（以導(dǎo)電性和生物相容性著稱）能夠適應(yīng)MEMS代工廠要求?！拔覀兣cMEMS代工廠Rogue Valley Microdevices一起合作，花費(fèi)了大量時(shí)間和努力來確定質(zhì)量、工藝類型甚至封裝?！?/p>

Cardea Bio起初名為Nanomedical Diagnostics，剛剛完成了對(duì)CRISPR芯片創(chuàng)建者Nanosens Innovations的并購(gòu)。這使Cardea Bio能夠打造其“生物晶體管”的先進(jìn)DNA版本，之前通常只能應(yīng)用于蛋白質(zhì)。Bundy說，Cardea Bio已經(jīng)在“賺錢”，但是“我們還在投入大量的研發(fā)，因此我們還沒有盈利。”目前正在生產(chǎn)一萬顆芯片，有超過75家公司要求將Cardea Bio的技術(shù)集成到他們的產(chǎn)品中。

Cardea Bio總部位于圣地亞哥，目前擁有25名雇員。

TetraVue——4D激光雷達(dá)（LiDAR）

安全，始終是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。無論障礙物是巖石、動(dòng)物、自行車還是兒童，車輛都必須能夠及時(shí)探測(cè)出它們何時(shí)可能危及道路安全。TetraVue首席執(zhí)行官Paul Banks說，我們生活在3D世界中，TetraVue的光學(xué)飛行時(shí)間（oTOF）技術(shù)可以利用2D CMOS圖像傳感器并為每個(gè)像素增加深度信息，以捕捉高分辨率3D圖像。

據(jù)麥姆斯咨詢此前報(bào)道，TetraVue采用了不同業(yè)界主流的激光雷達(dá)（LiDAR）方案。它沒有將激光作為光束或陣列來使用，而是用激光來照明整個(gè)視場(chǎng)（最高每秒三十幀以捕捉完整運(yùn)動(dòng)）。據(jù)此，TetraVue打造了一種固態(tài)閃光（Flash）激光雷達(dá)解決方案，其解決方案能夠捕捉視場(chǎng)內(nèi)每個(gè)像素的距離和強(qiáng)度。

TetraVue聲稱其固態(tài)高清攝像頭可以每秒捕捉6000萬個(gè)點(diǎn)，并且無論室內(nèi)外都可以在長(zhǎng)達(dá)200米的距離處捕獲運(yùn)動(dòng)和深度。

TetraVue成立于2008年，總部位于加州，TetraVue得到了科技巨頭科磊（KLA Tencor）、泛林（Lam Research）、博世風(fēng)險(xiǎn)投資（Robert Bosch Venture Capital）、三星催化基金（Samsung Catalyst Fund）和Nautilus Ventures的支持。

Syntiant——邊緣人工智能（AI）

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入我們的日常生活。從我們的家到汽車再到辦公室，周圍已經(jīng)被各種智能設(shè)備環(huán)繞，它們可以幫助我們管理各種重要事項(xiàng)。Syntiant首席技術(shù)官Jeremy Holleman說：“所有這些智能設(shè)備每天都需要做出無數(shù)個(gè)決策，而深度學(xué)習(xí)提供了一種工具集，可以獲得相比傳統(tǒng)基于人類直覺更好的決定。我們認(rèn)為，設(shè)備端的智能化才是未來趨勢(shì)。”

Syntiant首席技術(shù)官Jeremy Holleman

Holleman介紹說，本地化決策具有許多優(yōu)勢(shì)，“首先便是隱私性，我們不必再將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端；其次是可靠性，因?yàn)闆Q策過程中執(zhí)行的環(huán)節(jié)減少了；另外還有響應(yīng)性，因?yàn)闆]有了和云端傳輸數(shù)據(jù)的延遲?！钡?，深度學(xué)習(xí)需要大量的計(jì)算。決策的背后是大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而MCU等傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)往往難以應(yīng)對(duì)這些高計(jì)算量。

Syntiant開發(fā)的定制AI芯片NDP100內(nèi)嵌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以在沒有網(wǎng)絡(luò)連接的情況下為電池供電型設(shè)備提供邊緣計(jì)算。它支持64種類別，即64種不同的詞、手勢(shì)以及超過50萬個(gè)參數(shù)，為基于傳感器的應(yīng)用提供了大規(guī)模并行計(jì)算。NDP100可以集成到多種語音和音頻設(shè)備中，并且，最近還通過了亞馬遜（Amazon）的Alexa認(rèn)證。

NDP100的尺寸幾乎只有硬幣上亞伯拉罕·林肯（Abraham Lincoln）的鼻子那么大，連續(xù)識(shí)別運(yùn)行時(shí)的能耗約為140 μJ。NPD100和其他現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，Syntiant聲稱在能耗方面它比典型的微控制器改善了近200倍。Holleman說：“相比意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的STM32L476 ARM Cortex-M4 MCU在進(jìn)行喚醒詞監(jiān)測(cè)時(shí)的600 μJ，NPD100僅需要約3.4 μJ。我們還能夠支持每秒100幀，而MCU只能支持每秒5幀。這主要源于，跟具有通用目的計(jì)算平臺(tái)的存儲(chǔ)程序架構(gòu)相比，NPD100具有專用的內(nèi)置數(shù)據(jù)路徑。

Syntiant于2017年在加州橘郡（Orange County, Calif.）成立，據(jù)稱已有“多家客戶”，并已從微軟（Microsoft）投資部門M12、亞馬遜的Alexa基金、Applied Ventures、英特爾資本（Intel Capital）、摩托羅拉風(fēng)險(xiǎn)投資（Motorola Ventures）和博世風(fēng)險(xiǎn)投資（Robert Bosch Venture Capital）等投資方獲得超過3000萬美元的融資。該公司于2019年上半年將其第一批芯片投入了限量生產(chǎn)，現(xiàn)在正在“產(chǎn)能爬坡”。目前公司擁有40名員工。

Cartesiam——邊緣人工智能（AI）

在距離數(shù)據(jù)源頭最近的邊緣進(jìn)行預(yù)處理，而不是將所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行分析，難道不是更合理更高效的方式嗎？無需往返云端，還可以減少數(shù)據(jù)延遲，提高性能。

今年MSEC Technology Showcase的獲勝者是來自法國(guó)的軟件公司Cartesiam，該公司專注于在微控制器中嵌入人工智能。Cartesiam致力于為客戶增加機(jī)器學(xué)習(xí)能力，基本來說就是在邊緣創(chuàng)建和訓(xùn)練模型并最終掌握某種模式。

Cartesiam推出的業(yè)界首款工業(yè)4.0獨(dú)立維護(hù)助手Eolane designed Bob

Cartesiam的差異化優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⑵銷anoEdge軟件解決方案應(yīng)用于任何基于Cortex-M MCU架構(gòu)構(gòu)建的設(shè)備。Cartesiam常務(wù)董事兼聯(lián)合創(chuàng)始人André Dupaquier表示，“部署過程僅需數(shù)周即可完成，并且不需要數(shù)據(jù)科學(xué)家。在編碼中嵌入具有所有功能的模型庫(kù)。對(duì)于模型庫(kù)的代碼，我們僅需要數(shù)百KB的閃存和8~32 KB的RAM?！?/p>

邊緣 VS. 云端，NanoEdge大幅降低功耗

不過，成功的道路是漫長(zhǎng)而曲折的，充滿了許多障礙。Dupaquier回憶說：“我們制造的第一款產(chǎn)品是為了證明該技術(shù)可行，因?yàn)闊o論我們走到哪里，都會(huì)有人告訴我們這是不可能的，這是行不通的。我們必須自己購(gòu)買器件自己完成制造，以證明該技術(shù)可行，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在邊緣的Cortex-M MCU上運(yùn)行?！?/p>

最初，NanoEdge在Intel Curie上運(yùn)行，但現(xiàn)在“我們可以在任何類型的Cortex-M MCU上運(yùn)行，在Cortex-M0和Cortex-M4上都有用例，并且還有客戶在Cortex-M33上成功運(yùn)行。”Dupaquier說，“我們還可以在MPU上運(yùn)行?！?/p>

Cartesiam現(xiàn)在發(fā)展到第二階段，并計(jì)劃將軟件提供給客戶，以生成滿足客戶所需數(shù)量的庫(kù)?！拔覀冋谶M(jìn)行Alpha版測(cè)試，不過，已經(jīng)有很多客戶找上門要Beta版本?！?/p>

Cartesiam總部位于法國(guó)土倫（Toulon），最近在Gartner的2019年人工智能成熟度曲線研究中被認(rèn)定為三大邊緣人工智能公司之一，另外兩家是意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）和瑞薩電子（Renesas Electronics）。這家成立三年的初創(chuàng)公司擁有20名員工，并且工作方式很有意思?！懊總€(gè)星期五，我們告訴員工不要從事他們的工作任務(wù)，而是尋找他們的技術(shù)可以應(yīng)用的真正很酷的東西?，F(xiàn)在，他們努力的每個(gè)項(xiàng)目幾乎都變成了潛在機(jī)遇?！?/p>