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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(xiǎn)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(shí)的觀點(diǎn):“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(diǎn)同樣適用。
據(jù)預(yù)測(cè),到2020年,全球?qū)⒂?000億個(gè)傳感器遍布于我們的日常生活中,市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到105億美元,而可打印的柔性傳感器的市場(chǎng)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(fèi)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(fèi)電子
在消費(fèi)電子領(lǐng)域,隨著人類對(duì)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(jī)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(dòng)物身上或農(nóng)舍中的傳感器,我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物健康狀況和各種風(fēng)險(xiǎn),以最大限度地減少動(dòng)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(shí)間。
3.建筑
在智能建筑中,傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑內(nèi)部的空氣質(zhì)量、光照強(qiáng)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(hù)工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí),可以即時(shí)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(shí)給出指導(dǎo)建議??傮w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(fèi)用的頻率和住院治療費(fèi)用。
5.城市管理
對(duì)于城市管理部門,傳感器可以幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握燃?xì)?、電力、自來水、污水等地下線路及設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況;可以實(shí)時(shí)監(jiān)控道路車輛與行人流量,及時(shí)調(diào)整交通運(yùn)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(shí)間浪費(fèi),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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù),通過對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,可以對(duì)潛在的問題做出反應(yīng),從而最大限度地降低設(shè)備停機(jī)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(tái)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(jí)和微波級(jí)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(shí),新平臺(tái)還會(huì)降低傳感器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造成本。
從長(zhǎng)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(dòng)校準(zhǔn),可以減少傳感器的維護(hù)次數(shù)和時(shí)間,并大幅降低維護(hù)成本。另外,可自我修復(fù)的傳感器將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用范圍,并使維護(hù)成本更低,特別是在發(fā)生各種災(zāi)難和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)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(cè)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(chǎng)景,其實(shí)現(xiàn)的功能也更加強(qiáng)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(gè)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(dòng)傳感。
通過微線技術(shù)和磁場(chǎng),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(cè)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(cè)、處理和分析復(fù)雜的信號(hào),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(gè)組成部分。
此外,智能微塵是由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微觀傳感器,可以監(jiān)控戰(zhàn)場(chǎng)、高層建筑或動(dòng)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(jí)的要求。未來,更多醫(yī)療級(jí)的傳感器將通過嚴(yán)格的監(jiān)管審批并實(shí)現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用。
隨著實(shí)驗(yàn)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(jí)設(shè)備,而非簡(jiǎn)單的生活和娛樂之用。醫(yī)療檢測(cè)將更加輕松,一臺(tái)檢測(cè)儀器可以分析更多的物質(zhì),并減少對(duì)檢測(cè)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(cè)。
可吞服藥丸是實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)微型化的一個(gè)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(zhǎng)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?yàn)槠涫冀K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(dòng),只有當(dāng)達(dá)到某個(gè)條件時(shí)才能被激活,而當(dāng)它們處于待機(jī)模式時(shí),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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)久的運(yùn)行。例如運(yùn)動(dòng)、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(dòng)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(cè)、食品流通監(jiān)測(cè)或醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域,而不會(huì)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(dú)特的光譜識(shí)別出物質(zhì)組成;飛行時(shí)間傳感器可通過紅外光脈沖測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(duì)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(dòng)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(jī)交互更加友好;同時(shí),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(dòng)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(huì)最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。從智能手機(jī)到智能語音設(shè)備,從能源平臺(tái)到工業(yè)設(shè)備,傳感器自然而然地“化身”為人類連接機(jī)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(chǔ)、儲(chǔ)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(chǎng)景將變得越來越豐富。據(jù)預(yù)測(cè),到2020年,全球?qū)⒂?000億個(gè)傳感器遍布于我們的日常生活中,市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到105億美元,而可打印的柔性傳感器的市場(chǎng)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(fèi)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(fèi)電子
在消費(fèi)電子領(lǐng)域,隨著人類對(duì)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(jī)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(dòng)物身上或農(nóng)舍中的傳感器,我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)物健康狀況和各種風(fēng)險(xiǎn),以最大限度地減少動(dòng)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(shí)間。
3.建筑
在智能建筑中,傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑內(nèi)部的空氣質(zhì)量、光照強(qiáng)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(hù)工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí),可以即時(shí)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(shí)給出指導(dǎo)建議??傮w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(fèi)用的頻率和住院治療費(fèi)用。
5.城市管理
對(duì)于城市管理部門,傳感器可以幫助管理人員實(shí)時(shí)掌握燃?xì)?、電力、自來水、污水等地下線路及設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況;可以實(shí)時(shí)監(jiān)控道路車輛與行人流量,及時(shí)調(diào)整交通運(yùn)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(shí)間浪費(fèi),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(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù),通過對(duì)傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,可以對(duì)潛在的問題做出反應(yīng),從而最大限度地降低設(shè)備停機(jī)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(tái)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(jí)和微波級(jí)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(shí),新平臺(tái)還會(huì)降低傳感器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造成本。
從長(zhǎng)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(dòng)校準(zhǔn),可以減少傳感器的維護(hù)次數(shù)和時(shí)間,并大幅降低維護(hù)成本。另外,可自我修復(fù)的傳感器將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用范圍,并使維護(hù)成本更低,特別是在發(fā)生各種災(zāi)難和風(fēng)險(xiǎn)時(shí)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(cè)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(chǎng)景,其實(shí)現(xiàn)的功能也更加強(qiáng)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(gè)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(dòng)傳感。
通過微線技術(shù)和磁場(chǎng),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(cè)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(cè)、處理和分析復(fù)雜的信號(hào),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(gè)組成部分。
此外,智能微塵是由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的微觀傳感器,可以監(jiān)控戰(zhàn)場(chǎng)、高層建筑或動(dòng)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(jí)的要求。未來,更多醫(yī)療級(jí)的傳感器將通過嚴(yán)格的監(jiān)管審批并實(shí)現(xiàn)醫(yī)療應(yīng)用。
隨著實(shí)驗(yàn)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(jí)設(shè)備,而非簡(jiǎn)單的生活和娛樂之用。醫(yī)療檢測(cè)將更加輕松,一臺(tái)檢測(cè)儀器可以分析更多的物質(zhì),并減少對(duì)檢測(cè)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(cè)。
可吞服藥丸是實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)微型化的一個(gè)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(zhǎng)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?yàn)槠涫冀K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(dòng),只有當(dāng)達(dá)到某個(gè)條件時(shí)才能被激活,而當(dāng)它們處于待機(jī)模式時(shí),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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)久的運(yùn)行。例如運(yùn)動(dòng)、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(dòng)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(cè)、食品流通監(jiān)測(cè)或醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域,而不會(huì)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(dú)特的光譜識(shí)別出物質(zhì)組成;飛行時(shí)間傳感器可通過紅外光脈沖測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(duì)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(dòng)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(jī)交互更加友好;同時(shí),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(dòng)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(guó)儀表網(wǎng) 資本實(shí)驗(yàn)室 作者:王進(jìn))
TAGS : 傳感器
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