科技界普遍認(rèn)為，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之后，將是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(gè)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(gè)名詞相比，傳感器的公眾知名度不算高，但事實(shí)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(jī)里，成為我們生活中不可或缺的電子器件。

上?？蒲腥藛T在研制哪些傳感器？為什么說它們是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)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(jī)

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(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。上海矽?？萍加邢薰臼紫瘓?zhí)行官謝志峰博士介紹，人們平時(shí)講的傳感器，其實(shí)是傳感機(jī)系統(tǒng)，也稱微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），因?yàn)樗鼈冸m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(jī)，傳感器已是標(biāo)配，如蘋果iPhone6安裝了加速度計(jì)、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(fēng)、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(jì)、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(fù)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(jī)有能力進(jìn)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(xué)研究表明，人體癌變部位的微磁場會(huì)出現(xiàn)異常，而磁傳感器能測出人體微磁場的強(qiáng)度和方向，因此有望應(yīng)用于腫瘤早期篩查。

加速度計(jì)也是智能手機(jī)的標(biāo)配。為了向記者介紹這種傳感器，謝志峰請人用3D打印機(jī)制作了一個(gè)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(dòng)。當(dāng)安裝這種傳感器的手機(jī)和可穿戴設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)部分能通過電容變化測出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。安全氣囊能在汽車碰撞時(shí)及時(shí)彈出，就是因?yàn)檠b有加速度計(jì)。蘋果公司把它裝入手機(jī)，使手機(jī)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(dòng)手機(jī)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(jī)拍照時(shí)即便抖動(dòng)，照片往往也不會(huì)模糊。這也得益于陀螺儀，它在拍照時(shí)測出手機(jī)正在抖動(dòng)后，會(huì)及時(shí)讓相機(jī)軟件予以糾正。

“仿生眼”

性能向人眼靠攏

加速度計(jì)和陀螺儀，其實(shí)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(jì)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(shí)避險(xiǎn)。

事實(shí)上，多種傳感器的功能與人和動(dòng)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(xué)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(dá)式傳感器、單攝像機(jī)傳感器、雙攝像機(jī)傳感器等。雷達(dá)式傳感器是一種主動(dòng)式視覺傳感技術(shù)，與被動(dòng)式采光的攝像機(jī)相比，能耗比較大，“看”到的圖像信息也不夠多，未來不會(huì)是機(jī)器人的主流技術(shù)。攝像機(jī)則與人眼一樣，都是被動(dòng)式采光，但如果只用一臺(tái)攝像機(jī)，就無法獲取立體圖像，所以雙攝像機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)。張曉林在日本獲得機(jī)器人博士學(xué)位后，做了8年人眼生理學(xué)研究，認(rèn)為模仿人眼、雙攝像機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)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(tuán)隊(duì)進(jìn)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(shí)，能協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，保持一種基本固定的位置關(guān)系。這樣一來，兩臺(tái)攝像機(jī)采集的圖像就有了很高的匹配度，使計(jì)算機(jī)三維建模的精準(zhǔn)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(jī)器人可以準(zhǔn)確識別外部世界，而不會(huì)像過去的機(jī)器人那樣無法區(qū)分真實(shí)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(dòng)等優(yōu)越性能，仿生眼團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研究，讓機(jī)器人的雙眼基本具備了這些能力。在實(shí)驗(yàn)錄像中，記者看到，裝有仿生眼的機(jī)器人能自行走出實(shí)驗(yàn)室，在大樓走廊里避開各種障礙物后返回；對準(zhǔn)一只乒乓球的仿生眼，能一下子轉(zhuǎn)變方向，對準(zhǔn)另一只乒乓球；在防震實(shí)驗(yàn)中，放在馬鞍上的仿生眼雖然上下振動(dòng)，采集到的圖像卻很穩(wěn)定。

上海要為

智能時(shí)代搶占先機(jī)

目前，上海市科委正在聯(lián)合多家企業(yè)和高校院所，準(zhǔn)備研發(fā)一款擁有智能“五官”的服務(wù)機(jī)器人。精準(zhǔn)的三維視覺、智能的語音對話、靈巧的雙手……是未來服務(wù)機(jī)器人的標(biāo)配。許多專家預(yù)測，今后每家都會(huì)有智能機(jī)器人，成為每個(gè)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(jìn)入“智能一切”時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，手表、項(xiàng)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(gè)智能機(jī)器人充斥的環(huán)境中。房間本身就是智能機(jī)器人，智能衛(wèi)浴會(huì)為你自動(dòng)調(diào)整洗浴水溫，智能廚房會(huì)自動(dòng)烹飪早餐。出門上班時(shí)，交通工具是一輛無人駕駛汽車。走進(jìn)辦公室后，智能桌子會(huì)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(rèn)證功能的戒指。走到冰箱前，用戒指敲一下冰箱，它會(huì)自動(dòng)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(huì)自動(dòng)告訴你哪幾款適合搭配，你也可以通過衣櫥直接進(jìn)入電商頁面，選購新款服裝。

所謂的“智能一切”時(shí)代，就是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。這個(gè)時(shí)代很可能會(huì)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(rèn)為，萬物互聯(lián)是那個(gè)時(shí)代的特征，配備在各種物品上的傳感器數(shù)量將達(dá)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(jī)。

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?、上海弼智仿生高科技有限公司等一批研發(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(jìn)入市場，為各種智能終端提供“感官系統(tǒng)”。

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