世界領(lǐng)先是因?yàn)橹匾暎∶绹塾?jì)投入超過1300億美元進(jìn)行傳感器革命

據(jù)工信部電子元器件行業(yè)發(fā)展研究中心總工程師、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長郭源生介紹，美國每年度財(cái)政預(yù)算約有69億美元，用于傳感器基礎(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用研究，稱其為“Sensor Revolution”（即：傳感器革命）。

美國國家科學(xué)發(fā)展基金會(huì)認(rèn)為：

“80年代個(gè)人電腦把運(yùn)算簡化到人們手指尖上；90年代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把人們對信息的需求通過網(wǎng)絡(luò)變得全球化；本世紀(jì)的重大變革就是：通過網(wǎng)絡(luò)，把物質(zhì)世界聯(lián)接起來，并賦予它一個(gè)電子神經(jīng)系統(tǒng)，使它具有能夠感知信息的生命，而能夠擔(dān)當(dāng)這一重任的核心就是傳感器”。

本文即翻譯自美國國家科學(xué)基金會(huì)（簡稱NSF）作為特別報(bào)告發(fā)布的《傳感器革命》（The Sensor Revolution），NSF是美國獨(dú)立的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于中國國家自然科學(xué)基金委員會(huì)，擔(dān)負(fù)著促進(jìn)國家科學(xué)進(jìn)步的責(zé)任。

同時(shí)，NSF是美國大學(xué)、機(jī)構(gòu)和智庫基礎(chǔ)研究的最大資金來源之一，因此NSF影響著美國基礎(chǔ)科學(xué)的研究動(dòng)向。值得注意的是，《傳感器革命》發(fā)表于19年前的2004年，以每年約69億美元的投入粗略計(jì)算，在傳感器基礎(chǔ)技術(shù)與應(yīng)用研究上美國至少投入了超過1300億美元（約8937億人民幣）。

美國今天能在全球傳感器產(chǎn)業(yè)中占據(jù)最高份額，與其高度重視不無相關(guān)。我們今天仍未對傳感器的關(guān)鍵作用有清醒的認(rèn)識(shí)，沒有足夠的重視，這為我們敲響警鐘。

概述

在20世紀(jì)80年代，個(gè)人電腦革命將計(jì)算機(jī)置于我們的指尖。20世紀(jì)90年代，互聯(lián)網(wǎng)革命用網(wǎng)絡(luò)將我們與橫跨地球的另一端聯(lián)系在一起。

現(xiàn)在，下一場革命是將互聯(lián)網(wǎng)連接回現(xiàn)實(shí)中，我們生活在一個(gè)物質(zhì)世界里，這是世界上第一個(gè)電子神經(jīng)系統(tǒng)，我們稱之為傳感器革命：大量的設(shè)備以我們幾乎無法想象的方式監(jiān)控我們周圍的環(huán)境，其中一些現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，其他的也將實(shí)現(xiàn)。

環(huán)境與民用基礎(chǔ)設(shè)施

無線濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測偏遠(yuǎn)森林的火災(zāi)危險(xiǎn)，硝酸鹽傳感器探測河流、溪流和井中的農(nóng)業(yè)污染，而分布式地震傳感器為地震提供預(yù)警系統(tǒng)。同時(shí)，內(nèi)置應(yīng)力傳感器報(bào)告橋梁、建筑物和道路以及其他人造建筑物的結(jié)構(gòu)完整性。

工商業(yè)

在工廠地面上，聯(lián)網(wǎng)的振動(dòng)傳感器警報(bào)機(jī)器軸承開始出現(xiàn)故障，安排工人夜間維護(hù)，防止損失巨大的突然停機(jī)。在冷藏雜貨車內(nèi)，溫度和濕度傳感器監(jiān)測單個(gè)容器，減少易碎魚類或農(nóng)產(chǎn)品的變質(zhì)。

健康

嵌入衣服中的傳感器與其他體內(nèi)傳感器聯(lián)網(wǎng)，持續(xù)監(jiān)測我們的生命體征。對于即將發(fā)作的心臟病或危險(xiǎn)的高血壓疾病，需要進(jìn)行早期醫(yī)療干預(yù)。糖尿病患者血糖水平的飆升，由微型傳感器持續(xù)監(jiān)測，觸發(fā)輸液泵輸送胰島素，完美模擬健康的胰腺作用。

安全和安保

消防隊(duì)員將無線傳感器分散在整個(gè)燃燒的建筑中，以繪制熱點(diǎn)和火焰。同時(shí)，傳感器提供緊急通信網(wǎng)絡(luò)。醫(yī)院、郵局和運(yùn)輸中心的微型化學(xué)和生物傳感器在炭疽、天花、蓖麻毒素或其他有疑似恐怖分子出現(xiàn)的跡象時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

傳感器技術(shù)：力量的匯聚

傳感器是任何能夠接受刺激（如熱、光、磁或暴露于特定化學(xué)物質(zhì)）并將其轉(zhuǎn)換為特定信號(hào)的設(shè)備。

傳感器已經(jīng)存在很長時(shí)間了，例如天平——重量傳感器——至少在9000年前就被蘇美爾人使用了。

溫度計(jì)——溫度傳感器是16世紀(jì)末伽利略等人開發(fā)的。幾十年后，伽利略的助手托里切利（Torricelli）發(fā)明了氣壓計(jì)——壓力傳感器。

最近，科學(xué)家和工程師們發(fā)明了用于感應(yīng)光（光電管）、聲音（麥克風(fēng)）、地面振動(dòng)（地震計(jì)）和力（加速度計(jì)）的設(shè)備，以及用于磁場和電場、輻射、應(yīng)變、酸度和許多其他現(xiàn)象的傳感器。

從我們在機(jī)場通過的金屬探測器到保護(hù)我們家園的煙霧探測器，我們的現(xiàn)代文明完全依賴于傳感器。雖然傳感器的概念并不新鮮，但傳感器技術(shù)正在經(jīng)歷一場快速的變革。

事實(shí)上，曾經(jīng)徹底改變世界的計(jì)算機(jī)、電子通信以及生物技術(shù)行業(yè)的趨勢，正在傳感器上展現(xiàn)：

1、更?。?/p>

納米技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等領(lǐng)域的快速發(fā)展促進(jìn)了傳統(tǒng)傳感器的微型化，而且啟發(fā)了基于全新原理的傳感器的發(fā)明。

美國加州理工學(xué)院的化學(xué)家內(nèi)森·S·劉易斯（Nathan S. Lewis）及其同事開發(fā)的電子鼻就是一個(gè)例子。另一種是懸臂梁傳感器，在國家科學(xué)基金會(huì)通過其納米技術(shù)優(yōu)先領(lǐng)域資助的許多項(xiàng)目中，以及XYZ芯片項(xiàng)目等，還可以找到其他類似項(xiàng)目。

2、更智能：

微電子技術(shù)的能力呈指數(shù)級(jí)增長，使得制造具有內(nèi)置“智能”的傳感器成為可能，至少在原則上，今天的傳感器可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，只選擇最相關(guān)和最關(guān)鍵的信息進(jìn)行報(bào)告。

3、移動(dòng)化程度更高：

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速普及增強(qiáng)了聯(lián)系，如今，許多傳感器從遠(yuǎn)方發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，無論它們正在進(jìn)行什么運(yùn)動(dòng)。

然而，隨著這些力量的匯聚，傳感器對研究人員和社會(huì)都提出了嚴(yán)峻的新挑戰(zhàn)。

傳感器技術(shù)：野外生存

下一代傳感器需要由堅(jiān)固的材料制成。畢竟，許多潛在應(yīng)用場景需要大量的傳感器，這些傳感器分散在廣泛的目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，因此不可能單獨(dú)使用。

同時(shí)，這些設(shè)備必須在沒有電源插座、沒有寬帶電纜連接、沒有技術(shù)支持，甚至有可能被浸泡、烘烤、冷凍、掩埋、踩踏、或者吃掉的地方，需要一次獨(dú)立運(yùn)行數(shù)天、數(shù)周或數(shù)月。

這就帶來了一些令人棘手的工程挑戰(zhàn)，其中最困難的是電源：許多廉價(jià)且批量生產(chǎn)的傳感器是一種電池空間很小的傳感器。這就是為什么工程師們經(jīng)常安排讓這些設(shè)備將在大部分時(shí)間中都處于睡眠模式下，在睡眠模式下，它們可以僅靠最微弱的電能工作。

傳感器只需要偶爾醒來一小段時(shí)間，就可以快速讀取儀器數(shù)據(jù)，如果需要的話，還可以回傳一些數(shù)據(jù)。

▲這種“智能塵埃”微塵是一種檢測環(huán)境光和加速度的傳感器，并包含一個(gè)用于通信的微型無線電天線（十字）（來自加州大學(xué)伯克利分校傳感器和致動(dòng)器中心）

另一個(gè)挑戰(zhàn)是將這些信息帶回總部。在沒有互聯(lián)網(wǎng)的野外，最新的傳感器可以通過有效的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳遞到另一個(gè)傳感器，形成自己的網(wǎng)絡(luò)。

但這聽起來很困難。一方面，連接通常限于非常低的功率、非常短的距離和非常低的數(shù)據(jù)速率。更糟糕的是，如果傳感器連接到車輛或動(dòng)物上，它們將經(jīng)常需要四處移動(dòng)，并且有嚴(yán)重的環(huán)境噪聲干擾。

這就是為什么許多工程師都在強(qiáng)調(diào)自組織網(wǎng)絡(luò)（ad hoc networks），在這種網(wǎng)絡(luò)中，傳感器被編程尋找附近的傳感器，并在沒有人工干預(yù)的情況下自己形成網(wǎng)絡(luò)鏈接。如果這些鏈接中的任何一個(gè)被阻止或斷開，傳感器將自動(dòng)尋找新的鏈接來替換它們。

此外，還有社會(huì)倫理方面的挑戰(zhàn)。例如，起到隱私保護(hù)的最佳方式是什么，這樣新一代傳感器就不會(huì)成為不良分子的工具？如何建立同樣強(qiáng)大的安全保障措施，使黑客無法竊聽無線數(shù)據(jù)流？

美國國家科學(xué)基金會(huì)資助的研究人員正在尋求解決所有這些挑戰(zhàn)的方法，并尋求獲得其他機(jī)構(gòu)和行業(yè)研究人員的支持。

盡管如此，已經(jīng)有許多傳感器技術(shù)支持大量應(yīng)用。請繼續(xù)閱讀環(huán)境與民用基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)與商業(yè)、健康與安全與安保方面的更多例子。

傳感器應(yīng)用：環(huán)境和民用基礎(chǔ)設(shè)施

為了跟蹤沙漠、森林、海洋或大氣中不斷變化的氣象，環(huán)境傳感器必須穿越大雪、暴雨、酷熱和黑夜傳遞信息。

連接在橋梁、公路和其他結(jié)構(gòu)上的傳感器如果需要在颶風(fēng)和地震中發(fā)揮作用，將面臨類似的極端條件或更糟的情況。NSF資助的研究人員正在開發(fā)新的傳感器，可以在這些環(huán)境中可靠工作。他們還在傳感器系統(tǒng)方面努力工作，設(shè)計(jì)和部署傳感器網(wǎng)絡(luò)，為民用和環(huán)境監(jiān)測帶來前所未有的細(xì)致數(shù)據(jù)。

在森林中植入傳感器

在加州大學(xué)洛杉磯分校嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感中心（CENS），William Kaiser 監(jiān)測加利福尼亞州圣哈辛托山脈的脆弱生態(tài)系統(tǒng)。

通過將固定數(shù)據(jù)采集站和移動(dòng)“信息機(jī)械系統(tǒng)”聯(lián)網(wǎng)的方式，Kaiser 的研究小組正在密切關(guān)注詹姆斯保護(hù)區(qū)（James Reserve），該保護(hù)區(qū)是50種瀕危物種的家園。

該組織的移動(dòng)設(shè)備沿著從一棵樹到另一棵樹的導(dǎo)線移動(dòng)，部署傳感器，在森林地面以上不同高度測量溫度、濕度和光照水平。這些設(shè)備由太陽能電池組供電，最終將包括100個(gè)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，通過一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)。

該中心主任黛布拉·埃斯特林（DebraEstrin）和她的同事開發(fā)了協(xié)議和數(shù)據(jù)管理技術(shù)，使這種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠在功率限制、不穩(wěn)定的傳輸環(huán)境和不斷變化的節(jié)點(diǎn)數(shù)量等阻礙傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那闆r下運(yùn)行。

這些類似的傳感器網(wǎng)絡(luò)也被用于其他CENS項(xiàng)目，例如監(jiān)測鳥類的筑巢棲息地，跟蹤農(nóng)場通過沉積區(qū)流入河流的肥料污染。

建筑感知

加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員在Factor Health Sciences Building 的校園里建立了一個(gè)嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)，他們必須調(diào)整自己的技術(shù)以應(yīng)對一系列新的挑戰(zhàn)。

大樓的17層鋼框架對傳感器的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重破壞。（想象一下在電梯里使用手機(jī)。）他們?yōu)樵摻Y(jié)構(gòu)的可靠運(yùn)行而開發(fā)了新的通信協(xié)議，幫助他們從連接到建筑物和橋梁的應(yīng)變和振動(dòng)傳感器收集數(shù)據(jù)，這是一種稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用。

橋梁和公路感知

新墨西哥州立大學(xué)（NewMexico State University）的羅拉·伊德里斯（Rola Idriss）等土木工程師預(yù)計(jì)，有一天，嵌入在橋梁和道路上的傳感器，會(huì)在人類檢測人員發(fā)現(xiàn)異常磨損之前，定期報(bào)告其健康情況。與人類醫(yī)療保健一樣，早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性健康問題可以進(jìn)行早期干預(yù)，最終節(jié)省資金，延長壽命，提高安全性。

伊德里斯（Idriss）和她的同事在國家科學(xué)基金會(huì)和聯(lián)邦公路管理局的支持下，在拉斯克魯斯州國際10號(hào)公路上一座20世紀(jì)70年代的橋梁上安裝了120個(gè)光纖傳感器。光纖傳感器為大學(xué)研究人員提供連續(xù)的數(shù)據(jù)流，記錄橋梁對交通、天氣和時(shí)間破壞的情況。

新墨西哥團(tuán)隊(duì)對阿爾伯克基附近的新里約熱內(nèi)盧-普爾科大橋（new Rio Puerco bridge）寄予了更高的期望，這是一種創(chuàng)新的高性能混凝土設(shè)計(jì)，在其橫梁上安裝了大量傳感器。

團(tuán)隊(duì)將橋梁使用期間從內(nèi)部傳感器獲取的數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)檢測技術(shù)獲取的信息進(jìn)行比較，將有助于他們制定更有效的監(jiān)測和維護(hù)程序。

傳感器應(yīng)用：工商業(yè)

從盤式制動(dòng)器到磁盤驅(qū)動(dòng)器，美國工業(yè)依賴其產(chǎn)品和工廠中的傳感器。通過采用新的傳感器技術(shù)，制造商可以為其產(chǎn)品帶來新的能力，同時(shí)提高性能和效率。同時(shí)，工業(yè)傳感器通過提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少停機(jī)時(shí)間，幫助保持美國工業(yè)的競爭力。

道路上的傳感器

在今天的汽車中，轉(zhuǎn)速傳感器將四個(gè)車輪的數(shù)據(jù)傳送到防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）和牽引力控制系統(tǒng)。

燃燒和抗爆傳感器可幫助發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算調(diào)整燃油混合物，即使負(fù)載和條件發(fā)生變化，也能實(shí)現(xiàn)高效、清潔的燃燒效果。

碰撞感應(yīng)加速計(jì)可以微妙地分析碰撞的真實(shí)性，使汽車的安全氣囊能夠以最小的沖擊力釋放。

在過去幾年中，每輛車的傳感設(shè)備數(shù)量翻了一番，并且隨著復(fù)雜但廉價(jià)的傳感器越來越普及，傳感器數(shù)量也在不斷增加。

韋恩州立大學(xué)（WayneStateUniversity）的Le YiWang等工程師幫助汽車設(shè)計(jì)師優(yōu)化傳感器數(shù)據(jù)。楊教授正在研究如何融合多個(gè)傳感器的信息，以有效控制發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)，即使單個(gè)傳感器提供的數(shù)據(jù)不完善。

遠(yuǎn)處的庫存

射頻識(shí)別（RFID）是發(fā)展最快的傳感器技術(shù)。RFID系統(tǒng)將電磁感應(yīng)與無線電通信相結(jié)合。RFID標(biāo)簽和Interrogators可用于跟蹤倉庫中的庫存或收集移動(dòng)車輛的通行費(fèi)。

德州儀器公司（TI）為新的半導(dǎo)體制造線配備射頻發(fā)射器，并在每一個(gè)載波上貼上ID標(biāo)簽。晶圓流水線完成的每一個(gè)加工步驟現(xiàn)在都可以記錄在中心數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)最大限度地減少人員搬運(yùn)和相關(guān)污染。

加州大學(xué)伯克利分校的Vivek Subramanian等研究人員正在研究降低成本和提高RFID標(biāo)簽功能的方法。他們預(yù)測有一天電子標(biāo)簽在日常商業(yè)中將取代條形碼。

學(xué)校里的傳感器

在麻省理工學(xué)院，哈里·巴拉克里希南（HariBalakrishnan）、塞思·泰勒（SethTeller）、埃里克·德梅因（ErikDemaine）和邁克爾·斯通布雷克（MichaelStonebraker）都有宏偉的計(jì)劃。

他們將全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻標(biāo)簽和超聲波信標(biāo)相結(jié)合，以“激活”麻省理工學(xué)院校園。他們設(shè)想將該系統(tǒng)用于從監(jiān)測和維護(hù)實(shí)體工廠到清點(diǎn)圖書館資產(chǎn)，再到幫助訪客在校園內(nèi)找到自己的路等所有方面。

傳感器應(yīng)用：健康

傳感器在醫(yī)療保健和診斷的每個(gè)階段都有應(yīng)用。

醫(yī)生現(xiàn)在正在進(jìn)行臨床測試，這些測試幾年前才被送到實(shí)驗(yàn)室。檢測結(jié)果可以立即獲得，而且成本更低。

無線可穿戴傳感器可以在家中對老年人或慢性病患者進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。在緊急情況下，即使有多人傷亡，無線患者監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)仍然可以在急救人員和醫(yī)院急診室之間快速準(zhǔn)確地傳輸信息。

皮下成像

在波士頓東北大學(xué)NSF地下傳感和成像系統(tǒng)中心（CENSIS），研究人員正在使用“基于物理的成像”方法從地下傳感技術(shù)中提取最大可用信息。

東北大學(xué)、波士頓大學(xué)和倫斯勒理工學(xué)院的科學(xué)家和工程師將最先進(jìn)的制造技術(shù)與復(fù)雜的物理模型相結(jié)合，創(chuàng)造出能夠“穿透”皮膚、水或其他組織和液體的儀器。

他們正在使用這種方法來改進(jìn)乳房X光檢查，并通過對胚胎的內(nèi)部檢查來提高體外受精的成功率。它同樣適用于非醫(yī)學(xué)問題，如地雷探測和珊瑚礁監(jiān)測。波多黎各大學(xué)馬亞圭茲分校正在研究這一應(yīng)用程序。

視覺修復(fù)

在韋恩州立大學(xué)，網(wǎng)絡(luò)無線傳感器實(shí)驗(yàn)室的羅蘭·施維伯特（Loren Schwiebert）和他的同事正在利用他們的技術(shù)幫助視力受損者。

他們設(shè)計(jì)的人工視網(wǎng)膜和皮質(zhì)植入物將信號(hào)從外部攝像頭傳輸?shù)窖劬Φ母兄窠?jīng)。小組使用視網(wǎng)膜修復(fù)術(shù)來幫助患有視網(wǎng)膜炎、黃斑變性或其他疾病的患者，在這些疾病中，眼睛自身的傳感器（視桿和視錐）被破壞，但潛在的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)是完好的。

當(dāng)視網(wǎng)膜本身受損且對電刺激無反應(yīng)時(shí)，他們使用皮質(zhì)植入物代替。Schwiebert 正在研究這些系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和電源管理，這些系統(tǒng)不能依賴內(nèi)部電源，因?yàn)橹踩氲碾娮釉O(shè)備必須通過無線電鏈路與高帶寬視頻數(shù)據(jù)一起供電。

早期心臟病預(yù)防

路易斯維爾大學(xué)（University of Louisville）的研究人員Kyung Kang和他的同事Chang Ahn在辛辛那提大學(xué)（University of Cincinnati）使用MEMS加工方法制造微流控設(shè)備，可以同時(shí)執(zhí)行四個(gè)單獨(dú)的生化分析。通過同時(shí)測量四個(gè)心臟標(biāo)記物，他們希望改善對疑似心臟病發(fā)作患者的護(hù)理。

Case Western Reserve University電氣工程師Darrin Young有另一種改善心臟健康的方法。Young的團(tuán)隊(duì)正在研究用于心率、血壓和溫度的藥丸大小的植入式傳感器。

Young與Case醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家約瑟夫·納多（JosephNadeau）合作，希望能識(shí)別高?；颊?，在他們心臟病或癲癇發(fā)作前的關(guān)鍵階段被發(fā)現(xiàn)。

▲微型無線傳感器監(jiān)測急診患者的心率、血氧水平和其他生命體征。傳感器數(shù)據(jù)被捕獲到一個(gè)記錄中，可以通過一個(gè)安全的無線網(wǎng)絡(luò)訪問該記錄，從而在每個(gè)階段幫助醫(yī)療決策者，從急救人員到救護(hù)車技術(shù)人員再到急診室醫(yī)生。來源：哈佛大學(xué)

護(hù)理阿爾茨海默癥

西北大學(xué)化學(xué)家Richard van Duyne 和神經(jīng)生物學(xué)家 William Klein 的傳感器研究可能會(huì)使阿爾茨海默病患者受益。Van Duyne的研究小組利用表面等離子體共振來檢測分子附著時(shí)傳感器電子特性的微小位移。

通過微調(diào)傳感器的表面化學(xué)性質(zhì)，可以研究不同分子的附著特性?？巳R因有一個(gè)理論，稱為淀粉樣β衍生擴(kuò)散配體（ADDL）的小蛋白是阿爾茨海默病病理學(xué)的關(guān)鍵因素，因此他與范杜因?qū)嶒?yàn)室的研究人員合作開發(fā)了PSPR傳感器，用于監(jiān)測ADDL與其抗體的結(jié)合。

傳感器應(yīng)用：安全與安保

家用煙霧和一氧化碳探測器很常見；運(yùn)動(dòng)監(jiān)測器觸發(fā)泛光燈照亮車道和停車場；金屬探測器和生物危害監(jiān)測器守衛(wèi)著港口和交通樞紐。泄漏傳感器保護(hù)工廠工人免受危險(xiǎn)化學(xué)品的傷害。

我們的家庭、公共空間和工作場所的安全取決于快速感知危險(xiǎn)并及時(shí)發(fā)出警告。在國家科學(xué)基金會(huì)資助下開發(fā)的新傳感技術(shù)，以及從分布式傳感器系統(tǒng)收集和處理數(shù)據(jù)的新方法，支持國家努力提高可靠和準(zhǔn)確評估威脅安全狀況的能力。

納米技術(shù)傳感器

在西北大學(xué)納米尺度科學(xué)與工程中心（NSEC）的集成納米圖案化和檢測技術(shù)領(lǐng)域，化學(xué)家兼中心主任查德·米爾金（Chad Mirkin）使用蘸筆光刻技術(shù)在硅襯底上沉積“鎖定”生物分子。Mirkin和他的同事們只寫了幾納米寬的分子圖案，然后將修飾過的基底暴露在含有“關(guān)鍵”分子的溶液中。他們能夠觀察到兩者之間的結(jié)合，既具有高度的敏感性，又具有高度的特異性。

傳感器能夠檢測微小的有害物質(zhì)。同樣的傳感器框架也可以通過改變分子“墨水”來適應(yīng)，而分子“墨水”的模式是電子技術(shù)學(xué)家對傳感器發(fā)展的看法。

人造鼻

Nate Lewis的工作展示了一種不同于感知化學(xué)或生物制劑的方法。Lewis的技術(shù)使用了一組傳感器，每一個(gè)傳感器都感測的不是一個(gè)高度特異的分子，而是一組相關(guān)的化合物。

他利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來自幾個(gè)不同傳感器的信號(hào)進(jìn)行融合，并將結(jié)果與已知的反應(yīng)進(jìn)行比較，從而創(chuàng)造出一種可以嗅出微量各種化學(xué)物質(zhì)的人工鼻。

掌上實(shí)驗(yàn)室

無線集成微系統(tǒng)中心（WIMS）是美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的一個(gè)工程研究中心，由微電子機(jī)械系統(tǒng)（microelectromechanical systems）先驅(qū)肯索爾·懷斯（Kensall Wise）領(lǐng)導(dǎo)，該中心正在整合制造可聯(lián)網(wǎng)、手表大小的化學(xué)分析儀所需的所有部件。來自密歇根大學(xué)、密歇根理工大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師參與了該項(xiàng)目，為微型儀器設(shè)計(jì)傳感器、泵、低功耗微處理器和射頻組件。

雖然WIMS的工作最終將成為許多不同類型傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，但他們目前的工作集中在兩個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目上：耳蝸植入和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

來自密歇根大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院的特德·澤勒（TedZellers）領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)，這是一種微尺度色譜儀，可以在國土安全應(yīng)用或工業(yè)過程控制中同等有效地檢測有害氣體。

為了將化學(xué)分析的工作量縮小到1立方厘米，Zellers、Wise和他們的學(xué)生將一米長、100微米寬的色譜柱包裹成緊密的螺旋結(jié)構(gòu)。他們設(shè)計(jì)和制造了微型泵、閥門和噴射器，以捕獲樣品氣體并通過儀器進(jìn)行運(yùn)輸。

他們構(gòu)建的電子電路可以從電池中產(chǎn)生所有必要的電壓，并通過集成的微機(jī)械天線和射頻電路傳輸數(shù)據(jù)。在不影響性能的情況下，盡可能將尺寸和功耗降至最低。

▲這張電子顯微照片顯示了刻蝕在晶圓上的一米長毛細(xì)管的中心。在氣相色譜中，不同的氣體在穿過長而窄的毛細(xì)管柱時(shí)會(huì)分離。來源：密歇根大學(xué)NSF無線集成微系統(tǒng)工程研究中心

結(jié)語

這是一篇NSF發(fā)表于2004年的報(bào)告，名為“傳感器革命”可見NSF以及美國對傳感器產(chǎn)業(yè)的重視。雖然這是一篇非?！肮爬稀钡膬?nèi)容，發(fā)表于18年前，但我們?nèi)泽@訝于美國對傳感器的重視，以及內(nèi)容中對傳感器技術(shù)的前瞻性。

在過去的幾十年里，美國國家科學(xué)基金會(huì)一直在支持美國傳感器的基礎(chǔ)研究工作，持續(xù)至今，奠定了美國傳感器技術(shù)領(lǐng)先世界的實(shí)力，同時(shí)其傳感器產(chǎn)業(yè)也占據(jù)全球最大份額。

本文通過一個(gè)個(gè)例子，介紹傳感器在社會(huì)中的應(yīng)用，似乎遠(yuǎn)比講一些空洞的“傳感器很重要”之類的話更加直觀，更能感受傳感器重要性，美國稱之為“傳感器革命”。

十幾年過去，即使今天看來，文中的許多傳感器應(yīng)用和技術(shù)開發(fā)，依然非常前沿且應(yīng)用場景上極具想象空間。

這為我們敲響了警鐘，對比美國對傳感器的重視程度，我們對傳感器的重視還嚴(yán)重不足！中國的傳感器革命什么時(shí)候到來？

如需《傳感器革命》（The Sensor Revolution）PDF原文檔（英文），可在傳感器專家網(wǎng)公眾號(hào)對話框回復(fù)關(guān)鍵詞【傳感器革命】獲取下載鏈接。

您對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網(wǎng)本內(nèi)容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區(qū)：傳感交流圈中進(jìn)行交流。

審核編輯黃宇