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從現在到未來50年，傳感器將如何改變世界？
2019-04-14
2011年，網景公司創始人與風險投資家馬克·安德森提出了非常具有創見，而且已經成為現實的觀點：“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。
據預測，到2020年，全球將有3000億個傳感器遍布于我們的日常生活中，市場規模將達到105億美元，而可打印的柔性傳感器的市場規模將達到73億美元。
那么，在今天，傳感器到底已經有哪些用途？在未來，甚至在未來50年，傳感器又將經歷怎樣的進化，并將如何改變世界？
一、今日無處不在的傳感器
從消費電子到農業、從交通到醫療、從能源到航空航天，從工業到城市管理，傳感器已經深度融入人類生產與生活。
1.消費電子
在消費電子領域，隨著人類對功能需求的不斷增加，各類產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.農業
在農業領域，通過安裝在動物身上或農舍中的傳感器，我們可以實時監測動物健康狀況和各種風險，以最大限度地減少動物疾病和死亡率，并提高生產力和生育率。通過田間的傳感器，我們可以精確了解天氣和土壤數據，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，傳感器可以實時監測建筑內部的空氣質量、光照強度、煙霧濃度、溫度變化等數據，從而讓我們更好地管理室內空氣質量，減少能源消耗，改善居住和工作環境。
4.醫療保健
在醫療保健方面，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。在發現異常時，可以即時尋求醫生幫助或呼叫急救服務。
通過傳感器，醫生可以遠程監控患者心率、血壓、血糖、心電等健康指標，并通過可服用電子藥丸，了解患者服藥情況和治療情況，以及時給出指導建議。總體而言，傳感器可以降低醫院成本，提升醫療質量，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氣、電力、自來水、污水等地下線路及設備的運轉情況；可以實時監控道路車輛與行人流量，及時調整交通運輸策略，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；甚至可以發現并追蹤疾病的爆發與傳播路徑。
6.其他領域
沒有傳感器，就沒有物聯網，也就沒有工業4.0。在工業、能源、軍工等領域，傳感器可以實現對設備的預測性維護，通過對傳感器收集的數據進行分析處理，可以對潛在的問題做出反應，從而最大限度地降低設備停機成本。
二、更加精彩的未來
未來，傳感器將變得更小、更便宜、更準確、更靈活、更節能、更環保，能夠收集更多類型的數據，并集成越來越多的新技術。
1.更小，更便宜
隨著各種新平臺和新材料的應用，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用，成本將大幅降低。同時，新平臺還會降低傳感器的設計、開發和制造成本。
從長遠來看，可自我校準的傳感器具有非常高的成本效益。通過自動校準，可以減少傳感器的維護次數和時間，并大幅降低維護成本。另外，可自我修復的傳感器將會有更廣泛的應用范圍，并使維護成本更低，特別是在發生各種災難和風險時將大有用處。
2.更高的準確性
目前，多通道協作頻譜感知的研究還處于初期階段。未來，一旦技術成熟，它將比現在的單通道傳感器提供更精確的監測數據。
更準確、更可靠和可復制的傳感器將在醫療設備等領域擁有更多的應用場景，其實現的功能也更加強大。
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階段。在未來，這些柔性傳感器將擁有更多創新應用，如人造皮膚、可穿戴傳感器和微動傳感。
通過微線技術和磁場，傳感器可以像頭發絲一樣纖細，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、應力，扭轉和位置。
4.更好的感知與更多的數據
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動的微觀傳感器，可以監控戰場、高層建筑或動脈堵塞等各種情況。
5.更多的醫療應用
目前，很多與健康相關的傳感器主要用在娛樂和生活方式領域，它們的功能達不到醫療級的要求。未來，更多醫療級的傳感器將通過嚴格的監管審批并實現醫療應用。
隨著實驗室系統的微型化，將加速生物危害感知的新興技術的研發，可穿戴傳感器將成為真正的醫療級設備，而非簡單的生活和娛樂之用。醫療檢測將更加輕松，一臺檢測儀器可以分析更多的物質，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微型化的一個應用，例如，已經有很多健康科技初創企業使用可吞服傳感器替代傳統的內窺鏡檢查，以減少患者的痛苦。還有一些科技公司研發的可吞服或可植入藥丸，可以在體內長期持續給藥，讓患者的日常治療更為輕松。
6.更節能
當前，大多數傳感器并不是很節能，因為其始終處于開啟狀態。未來，傳感器將變得更智能，并由特定條件驅動，只有當達到某個條件時才能被激活，而當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境中獲取能量，實現更長久的運行。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.更環保
在未來，環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菌驅動的，可降解的紙基電池，此類傳感器可用于農田管理、環境監測、食品流通監測或醫療檢測等領域，而不會污染環境。
8.更高的復雜性和更好的兼容性
通過協調工作，傳感器將獲得額外的復雜性。傳感器集群可以更好地協調傳感器之間的工作，并通過自主學習系統來確定工作內容和位置。
此外，各種新技術的采用，也將使傳感器變得更加多樣化。例如，通過激光技術，傳感器可以通過物質獨特的光譜識別出物質組成；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行響應。
在未來，各種基礎科學的進步將進一步推動傳感器技術的快速進化。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等新技術的融合，在未來的互聯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不可知、難判斷的信息變成易獲取、更精準的數據，傳感器已經成為數字化社會最為重要的基礎設施。從智能手機到智能語音設備，從能源平臺到工業設備，傳感器自然而然地“化身”為人類連接機器、人類自身，以及自然環境的外延器官。
隨著傳感器，以及與之相關的數據存儲、儲能、新材料、網絡基礎設備等軟硬件技術的發展，還有成本的持續下降，傳感器的應用場景將變得越來越豐富。據預測，到2020年，全球將有3000億個傳感器遍布于我們的日常生活中，市場規模將達到105億美元，而可打印的柔性傳感器的市場規模將達到73億美元。
那么，在今天，傳感器到底已經有哪些用途？在未來，甚至在未來50年，傳感器又將經歷怎樣的進化，并將如何改變世界？
一、今日無處不在的傳感器
從消費電子到農業、從交通到醫療、從能源到航空航天，從工業到城市管理，傳感器已經深度融入人類生產與生活。
1.消費電子
在消費電子領域，隨著人類對功能需求的不斷增加，各類產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.農業
在農業領域，通過安裝在動物身上或農舍中的傳感器，我們可以實時監測動物健康狀況和各種風險，以最大限度地減少動物疾病和死亡率，并提高生產力和生育率。通過田間的傳感器，我們可以精確了解天氣和土壤數據，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，傳感器可以實時監測建筑內部的空氣質量、光照強度、煙霧濃度、溫度變化等數據，從而讓我們更好地管理室內空氣質量，減少能源消耗，改善居住和工作環境。
4.醫療保健
在醫療保健方面，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。在發現異常時，可以即時尋求醫生幫助或呼叫急救服務。
通過傳感器，醫生可以遠程監控患者心率、血壓、血糖、心電等健康指標，并通過可服用電子藥丸，了解患者服藥情況和治療情況，以及時給出指導建議。總體而言，傳感器可以降低醫院成本，提升醫療質量，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氣、電力、自來水、污水等地下線路及設備的運轉情況；可以實時監控道路車輛與行人流量，及時調整交通運輸策略，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；甚至可以發現并追蹤疾病的爆發與傳播路徑。
6.其他領域
沒有傳感器，就沒有物聯網，也就沒有工業4.0。在工業、能源、軍工等領域，傳感器可以實現對設備的預測性維護，通過對傳感器收集的數據進行分析處理，可以對潛在的問題做出反應，從而最大限度地降低設備停機成本。
二、更加精彩的未來
未來，傳感器將變得更小、更便宜、更準確、更靈活、更節能、更環保，能夠收集更多類型的數據，并集成越來越多的新技術。
1.更小，更便宜
隨著各種新平臺和新材料的應用，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用，成本將大幅降低。同時，新平臺還會降低傳感器的設計、開發和制造成本。
從長遠來看，可自我校準的傳感器具有非常高的成本效益。通過自動校準，可以減少傳感器的維護次數和時間，并大幅降低維護成本。另外，可自我修復的傳感器將會有更廣泛的應用范圍，并使維護成本更低，特別是在發生各種災難和風險時將大有用處。
2.更高的準確性
目前，多通道協作頻譜感知的研究還處于初期階段。未來，一旦技術成熟，它將比現在的單通道傳感器提供更精確的監測數據。
更準確、更可靠和可復制的傳感器將在醫療設備等領域擁有更多的應用場景，其實現的功能也更加強大。
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階段。在未來，這些柔性傳感器將擁有更多創新應用，如人造皮膚、可穿戴傳感器和微動傳感。
通過微線技術和磁場，傳感器可以像頭發絲一樣纖細，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、應力，扭轉和位置。
4.更好的感知與更多的數據
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動的微觀傳感器，可以監控戰場、高層建筑或動脈堵塞等各種情況。
5.更多的醫療應用
目前，很多與健康相關的傳感器主要用在娛樂和生活方式領域，它們的功能達不到醫療級的要求。未來，更多醫療級的傳感器將通過嚴格的監管審批并實現醫療應用。
隨著實驗室系統的微型化，將加速生物危害感知的新興技術的研發，可穿戴傳感器將成為真正的醫療級設備，而非簡單的生活和娛樂之用。醫療檢測將更加輕松，一臺檢測儀器可以分析更多的物質，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微型化的一個應用，例如，已經有很多健康科技初創企業使用可吞服傳感器替代傳統的內窺鏡檢查，以減少患者的痛苦。還有一些科技公司研發的可吞服或可植入藥丸，可以在體內長期持續給藥，讓患者的日常治療更為輕松。
6.更節能
當前，大多數傳感器并不是很節能，因為其始終處于開啟狀態。未來，傳感器將變得更智能，并由特定條件驅動，只有當達到某個條件時才能被激活，而當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境中獲取能量，實現更長久的運行。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.更環保
在未來，環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菌驅動的，可降解的紙基電池，此類傳感器可用于農田管理、環境監測、食品流通監測或醫療檢測等領域，而不會污染環境。
8.更高的復雜性和更好的兼容性
通過協調工作，傳感器將獲得額外的復雜性。傳感器集群可以更好地協調傳感器之間的工作，并通過自主學習系統來確定工作內容和位置。
此外，各種新技術的采用，也將使傳感器變得更加多樣化。例如，通過激光技術，傳感器可以通過物質獨特的光譜識別出物質組成；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行響應。
在未來，各種基礎科學的進步將進一步推動傳感器技術的快速進化。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等新技術的融合，在未來的互聯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 資本實驗室 作者：王進）
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