科技界普遍認為，移動互聯(lián)網(wǎng)時代之后，將是物聯(lián)網(wǎng)時代。物聯(lián)網(wǎng)的英文縮寫是IoT(InternetofThings)，即萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)。要建構(gòu)這張變革人類生活的網(wǎng)絡(luò)，至少需要三個領(lǐng)域的技術(shù)突破：傳感器、大數(shù)據(jù)和人工智能。與后兩個名詞相比，傳感器的公眾知名度不算高，但事實上，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，而且已大量安裝在智能手機里，成為我們生活中不可或缺的電子器件。
上海科研人員在研制哪些傳感器?為什么說它們是物聯(lián)網(wǎng)時代的智能“感官”?記者采訪了中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、上海矽?？萍加邢薰镜膶＜?。
智能手機
傳感器各顯神通
傳感器是一種檢測裝置，能感知各類信號，并將它們轉(zhuǎn)化為電信號或其他形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。上海矽睿科技有限公司首席執(zhí)行官謝志峰博士介紹，人們平時講的傳感器，其實是傳感機系統(tǒng)，也稱微機電系統(tǒng)(MEMS)，因為它們雖然體積微小，但都是由傳感器、集成電路芯片、算法等組成的系統(tǒng)。
如今的智能手機，傳感器已是標配，如蘋果iPhone6安裝了加速度計、陀螺儀、電子羅盤、指紋傳感器、距離與環(huán)境光傳感器、MEMS麥克風、圖像傳感器、氣壓傳感器等8種傳感器，三星GalaxyS4安裝了12種傳感器。
在嘉定區(qū)的上海物聯(lián)網(wǎng)中心，謝志峰向記者展示了矽睿公司研制的全球首款單芯片三軸AMR磁傳感器。磁傳感器也叫磁力計、電子羅盤，具有指南針功能，封裝后只有1.2毫米見方。與iPhone配備的AKM磁傳感器相比，這款A(yù)MR磁傳感器的誤差更小，僅為正負1度;而與市場上采用3顆芯片的AMR磁傳感器相比，它只用1顆芯片，集成度更好，成本更低。安裝它的手機有能力進行室內(nèi)導(dǎo)航，在GPS無法使用的情況下，為用戶精確定位，每步行100米，誤差僅2—3米。磁傳感器還可應(yīng)用于醫(yī)療檢測。醫(yī)學研究表明，人體癌變部位的微磁場會出現(xiàn)異常，而磁傳感器能測出人體微磁場的強度和方向，因此有望應(yīng)用于腫瘤早期篩查。
加速度計也是智能手機的標配。為了向記者介紹這種傳感器，謝志峰請人用3D打印機制作了一個放大200倍的傳感器模型。只見模型器件分為兩部分，一部分固定，另一部分可振動。當安裝這種傳感器的手機和可穿戴設(shè)備運動時，振動部分能通過電容變化測出運動狀態(tài)的改變。安全氣囊能在汽車碰撞時及時彈出，就是因為裝有加速度計。蘋果公司把它裝入手機，使手機擁有了轉(zhuǎn)屏功能。
陀螺儀是測量角速度的傳感器。許多人喜歡通過轉(zhuǎn)動手機屏幕玩賽車、酷跑類游戲，正是得益于陀螺儀的功能。如今，手機拍照時即便抖動，照片往往也不會模糊。這也得益于陀螺儀，它在拍照時測出手機正在抖動后，會及時讓相機軟件予以糾正。
“仿生眼”
性能向人眼靠攏
加速度計和陀螺儀，其實在人體內(nèi)也有。中科院上海微系統(tǒng)所研究員、中央“千人計劃”專家張曉林博士介紹，耳朵里的前庭器有半規(guī)管，可以測旋轉(zhuǎn);有耳石，可以測出平移加速度。這些器官能確保人在各種狀態(tài)下保持平衡，及時避險。
事實上，多種傳感器的功能與人和動物的感官功能類似。鳥類體內(nèi)，好比有磁傳感器;“電子鼻”可用于食品質(zhì)量檢測、毒品搜查，與狗鼻相仿;味覺傳感器將化學材料與微電子器件結(jié)合，能識別多種味道;聽覺傳感器與人工智能結(jié)合后，能判斷各種聲音源的方向和距離，并能與人對話。
在所有“感官”傳感器中，視覺傳感器的研發(fā)難度最大。張曉林告訴記者，國際上已研制出的視覺傳感器包括：雷達式傳感器、單攝像機傳感器、雙攝像機傳感器等。雷達式傳感器是一種主動式視覺傳感技術(shù)，與被動式采光的攝像機相比，能耗比較大，“看”到的圖像信息也不夠多，未來不會是機器人的主流技術(shù)。攝像機則與人眼一樣，都是被動式采光，但如果只用一臺攝像機，就無法獲取立體圖像，所以雙攝像機傳感器是未來視覺的主流技術(shù)。
谷歌、奔馳、斯巴魯正在研制的無人駕駛汽車，都采用雙攝像機傳感器。不過，這些公司研制的視覺傳感器都是固定的雙目，而不像人眼那樣左右眼配合運動。張曉林在日本獲得機器人博士學位后，做了8年人眼生理學研究，認為模仿人眼、雙攝像機協(xié)調(diào)運作的視覺傳感器才是最優(yōu)技術(shù)方案。從日本歸國的他，正在帶領(lǐng)團隊進行“仿生眼”研究，并組建了上海弼智仿生高科技有限公司，從事科技成果轉(zhuǎn)化。
就像人的雙眼一樣，仿生眼的左右眼在觀測時，能協(xié)調(diào)運動，保持一種基本固定的位置關(guān)系。這樣一來，兩臺攝像機采集的圖像就有了很高的匹配度，使計算機三維建模的精準度大幅上升。完成三維建模后，包括無人駕駛汽車在內(nèi)的機器人可以準確識別外部世界，而不會像過去的機器人那樣無法區(qū)分真實的人臉和人臉照片。
人眼還具有跟蹤物體、跳躍性切換觀測、防震動等優(yōu)越性能，仿生眼團隊經(jīng)過多年研究，讓機器人的雙眼基本具備了這些能力。在實驗錄像中，記者看到，裝有仿生眼的機器人能自行走出實驗室，在大樓走廊里避開各種障礙物后返回;對準一只乒乓球的仿生眼，能一下子轉(zhuǎn)變方向，對準另一只乒乓球;在防震實驗中，放在馬鞍上的仿生眼雖然上下振動，采集到的圖像卻很穩(wěn)定。
上海要為
智能時代搶占先機
目前，上海市科委正在聯(lián)合多家企業(yè)和高校院所，準備研發(fā)一款擁有智能“五官”的服務(wù)機器人。精準的三維視覺、智能的語音對話、靈巧的雙手……是未來服務(wù)機器人的標配。許多專家預(yù)測，今后每家都會有智能機器人，成為每個人生活中不可或缺的助手。
近日，微信上流傳一篇文章，稱未來5—10年內(nèi)，我們將進入“智能一切”時代。在這個時代，手表、項鏈、戒指、眼鏡、桌子、汽車等幾乎所有終端設(shè)備，都是智能化的。從早晨睜開眼的那一刻，你就置身于一個智能機器人充斥的環(huán)境中。房間本身就是智能機器人，智能衛(wèi)浴會為你自動調(diào)整洗浴水溫，智能廚房會自動烹飪早餐。出門上班時，交通工具是一輛無人駕駛汽車。走進辦公室后，智能桌子會立刻感應(yīng)到，為你打開電子郵箱和一天的工作日程表。你的手上戴著一枚具有感應(yīng)和身份認證功能的戒指。走到冰箱前，用戒指敲一下冰箱，它會自動通過文字、圖像或語音告訴你哪些水果沒有了，你能在冰箱觸摸屏上直接下單購買。走到衣櫥前用戒指敲一下，它會自動告訴你哪幾款適合搭配，你也可以通過衣櫥直接進入電商頁面，選購新款服裝。
所謂的“智能一切”時代，就是物聯(lián)網(wǎng)時代。這個時代很可能會到來，雖然未必是未來5—10年內(nèi)。中科院上海微系統(tǒng)所所長王曦院士認為，萬物互聯(lián)是那個時代的特征，配備在各種物品上的傳感器數(shù)量將達到千億規(guī)模，上海應(yīng)在傳感器產(chǎn)業(yè)的國際競爭中加快布局，占得先機。
為此，中科院上海微系統(tǒng)所在政府的支持下組建了上海微技術(shù)工業(yè)研究院，已孵化出上海矽?？萍加邢薰尽⑸虾ｅ鲋欠律呖萍加邢薰镜纫慌邪l(fā)各類傳感器的企業(yè)。他們自主研發(fā)的產(chǎn)品已陸續(xù)進入市場，為各種智能終端提供“感官系統(tǒng)”。
轉(zhuǎn)型的最終目的 -提質(zhì)降本增效
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