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从现在到未来50年,传感器将如何改变世界?

2019/4/10 8:49:45   关键字:   来源:

2011年,网景公司创始人与风险投资家马克·安德森提出了非常具有创见,而且已经成为现实的观点:“软件正在吞噬世界”。到今天,如果把句子中的“软件”替换为“传感器”,这一观点同样适用。

自传感器诞生以来,由于它可以帮助人类将曾经不可知、难判断的信息变成易获取、更精准的数据,传感器已经成为数字化社会最为重要的基础设施。从智能手机到智能语音设备,从能源平台到工业设备,传感器自然而然地“化身”为人类连接机器、人类自身,以及自然环境的外延器官。

随着传感器,以及与之相关的数据存储、储能、新材料、网络基础设备等软硬件技术的发展,还有成本的持续下降,传感器的应用场景将变得越来越丰富。

据预测,到2020年,全球将有3000亿个传感器遍布于我们的日常生活中,市场规模将达到105亿美元,而可打印的柔性传感器的市场规模将达到73亿美元。

那么,在今天,传感器到底已经有哪些用途?在未来,甚至在未来50年,传感器又将经历怎样的进化,并将如何改变世界?

一、今日无处不在的传感器

从消费电子到农业、从交通到医疗、从能源到航空航天,从工业到城市管理,传感器已经深度融入人类生产与生活。

1.消费电子

在消费电子领域,随着人类对功能需求的不断增加,各类产品集成的传感器也越来越多。比如,在智能手机中就装有光线传感器、距离传感器、重力传感器、陀螺仪、GPS、指纹传感器等十多种传感器。

2.农业

在农业领域,通过安装在动物身上或农舍中的传感器,我们可以实时监测动物健康状况和各种风险,以最大限度地减少动物疾病和死亡率,并提高生产力和生育率。通过田间的传感器,我们可以精确了解天气和土壤数据,以便确定种植、灌溉、施肥和收割的最佳时间。

3.建筑

在智能建筑中,传感器可以实时监测建筑内部的空气质量、光照强度、烟雾浓度、温度变化等数据,从而让我们更好地管理室内空气质量,减少能源消耗,改善居住和工作环境。

4.医疗保健

在医疗保健方面,传感器可以用于糖尿病、高血压等慢性疾病患者的药物和生活方式的管理,还可以帮助子女或护工实时监测患有老年痴呆症或阿尔茨海默氏症等疾病的老年人的行为。在发现异常时,可以即时寻求医生帮助或呼叫急救服务。

通过传感器,医生可以远程监控患者心率、血压、血糖、心电等健康指标,并通过可服用电子药丸,了解患者服药情况和治疗情况,以及时给出指导建议。总体而言,传感器可以降低医院成本,提升医疗质量,减少昂贵的紧急入院费用的频率和住院治疗费用。

5.城市管理

对于城市管理部门,传感器可以帮助管理人员实时掌握燃气、电力、自来水、污水等地下线路及设备的运转情况;可以实时监控道路车辆与行人流量,及时调整交通运输策略,以减少交通拥堵;可以告诉汽车驾驶员何处有空余车位,以避免不必要的时间浪费,并减少碳排放;甚至可以发现并追踪疾病的爆发与传播路径。

6.其他领域

没有传感器,就没有物联网,也就没有工业4.0。在工业、能源、军工等领域,传感器可以实现对设备的预测性维护,通过对传感器收集的数据进行分析处理,可以对潜在的问题做出反应,从而最大限度地降低设备停机成本。

二、更加精彩的未来

未来,传感器将变得更小、更便宜、更准确、更灵活、更节能、更环保,能够收集更多类型的数据,并集成越来越多的新技术。

1.更小,更便宜

随着各种新平台和新材料的应用,制造商可以制造更小的传感器,其性能可以与毫米级和微波级的电子元器件一样高,并且随着更少的硅的应用,成本将大幅降低。同时,新平台还会降低传感器的设计、开发和制造成本。

从长远来看,可自我校准的传感器具有非常高的成本效益。通过自动校准,可以减少传感器的维护次数和时间,并大幅降低维护成本。另外,可自我修复的传感器将会有更广泛的应用范围,并使维护成本更低,特别是在发生各种灾难和风险时将大有用处。

2.更高的准确性

目前,多通道协作频谱感知的研究还处于初期阶段。未来,一旦技术成熟,它将比现在的单通道传感器提供更精确的监测数据。

更准确、更可靠和可复制的传感器将在医疗设备等领域拥有更多的应用场景,其实现的功能也更加强大。

3.更灵活且更柔性

柔性传感器是未来传感器发展的一个重要方向。目前,柔性光传感器、PH传感器、离子传感器和生物传感器仍处在早期开发阶段。在未来,这些柔性传感器将拥有更多创新应用,如人造皮肤、可穿戴传感器和微动传感。

通过微线技术和磁场,传感器可以像头发丝一样纤细,而又具有弹性,不需要电源,可以无接触地测量温度、压力、拉力、应力,扭转和位置。

4.更好的感知与更多的数据

未来的传感器将更有效地模仿人类的感官,来检测、处理和分析复杂的信号,如生物危害、气味、材料压力、病原体和腐蚀等。例如,这些先进的传感器不仅仅能够感知大量的单一分析物(例如二氧化碳),还可以破解气味中的每个组成部分。

此外,智能微尘是由振动驱动的微观传感器,可以监控战场、高层建筑或动脉堵塞等各种情况。

5.更多的医疗应用

目前,很多与健康相关的传感器主要用在娱乐和生活方式领域,它们的功能达不到医疗级的要求。未来,更多医疗级的传感器将通过严格的监管审批并实现医疗应用。

随着实验室系统的微型化,将加速生物危害感知的新兴技术的研发,可穿戴传感器将成为真正的医疗级设备,而非简单的生活和娱乐之用。医疗检测将更加轻松,一台检测仪器可以分析更多的物质,并减少对检测样品量的需求,比如,可以通过汗液和眼泪等体液即可完成健康检测。

可吞服药丸是实验室系统微型化的一个应用,例如,已经有很多健康科技初创企业使用可吞服传感器替代传统的内窥镜检查,以减少患者的痛苦。还有一些科技公司研发的可吞服或可植入药丸,可以在体内长期持续给药,让患者的日常治疗更为轻松。

6.更节能

当前,大多数传感器并不是很节能,因为其始终处于开启状态。未来,传感器将变得更智能,并由特定条件驱动,只有当达到某个条件时才能被激活,而当它们处于待机模式时,几乎没有功耗。

此外,传感器还可以从周围环境中获取能量,实现更长久的运行。例如运动、压力、光线,或患者身体与周围空气的热量差异等都可以成为传感器的能量来源。

7.更环保

在未来,环境友好型和可生物降解的传感器将日益受到欢迎。

例如,传感器可以采用由细菌驱动的,可降解的纸基电池,此类传感器可用于农田管理、环境监测、食品流通监测或医疗检测等领域,而不会污染环境。

8.更高的复杂性和更好的兼容性

通过协调工作,传感器将获得额外的复杂性。传感器集群可以更好地协调传感器之间的工作,并通过自主学习系统来确定工作内容和位置。

此外,各种新技术的采用,也将使传感器变得更加多样化。例如,通过激光技术,传感器可以通过物质独特的光谱识别出物质组成;飞行时间传感器可通过红外光脉冲测量两个物体之间的距离;由晶体、特殊陶瓷、骨骼、DNA、蛋白质等材料制造的压电传感器可以更好地对外部压力和潜热进行响应。

在未来,各种基础科学的进步将进一步推动传感器技术的快速进化。传感器将变得更加小型化、人性化,人机交互更加友好;同时,它们将变得更加隐形,更加不易察觉。随着传感器更加深入地融入我们的日常生活,以及与AI等新技术的融合,在未来的互联互通和自动化的世界中,传感器将使我们的生活更加美好。

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