2024先進感知新技術(shù)及新應(yīng)用白皮書

伴隨著數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展帶來的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迎來快速發(fā)展期，2022年8月我國移動物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)首次超過移動電話用戶數(shù)，正式步入年來，隨著千行百業(yè)感知需求的持續(xù)增長和感知場景的不斷細分，感知技術(shù)在以下領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸凸顯，制約了產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展：一是垂直行業(yè)發(fā)展帶來新應(yīng)用場景，感知設(shè)備需要拓展感知范圍、提高感知精度、增加可感范圍；二是物聯(lián)網(wǎng)終端空間有限，感知設(shè)備體積需要進一步壓縮；三是智能化發(fā)展需要傳感器集成通信、供能、校準、處理等更多功能，提供更多服務(wù)；四是當前有線感知技術(shù)是多學科、多技術(shù)、多領(lǐng)域的融合體,產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋材料、電子、通信、計算機軟硬件、機械、理論數(shù)學等領(lǐng)域。為滿足各類應(yīng)用對感知能力的需求，近年來先進感知技術(shù)不斷發(fā)展，通過對機理、材料、工藝和算法等四個方 感知新機理是指基于物理、化學、生物的基本效應(yīng)，采用新的感知機理，提高傳感設(shè)備的感知范圍、靈敏度、精確度和響應(yīng)速度等核心性能指標，以滿足不斷變化和發(fā)展的行業(yè)應(yīng)用需求，近年來重要創(chuàng)新包括無源感知技術(shù)、通感感知新材料是指不同于傳統(tǒng)金屬材料以外的，可用于響應(yīng)環(huán)境變化并傳遞電信號的新型材料，是傳感技術(shù)未來的重要發(fā)展方向之一，主要包括柔性傳感感知新工藝是制作傳感器件實體的重要步驟，工藝的發(fā)展可以使技術(shù)創(chuàng)新不止停留在想法層面，而是完成工程化實現(xiàn)，目前業(yè)界主要關(guān)注智能微系統(tǒng)工藝及激光直寫共形制造工藝。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用場景不斷拓展，用戶對于傳感能力的要求越來越高，但傳感器硬件的開發(fā)周期較長，難以快速滿足市場需求。因此，各傳感器廠商逐漸從單純圍繞硬件競爭，進入到圍感知新算法可用于提高傳感精度，或以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)新的感知能在上述四類技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)上，先進感知將持續(xù)強化自身能力，向著微型化、集成化、無線化、智能化趨勢發(fā)展，以實現(xiàn)高精度、大量程、小體積、抗02先進感知新機理無源感知通感一體量子傳感pnRT1在先進感知新機理方面，無源感知、量子傳感和通感一體是其中典型代表技術(shù)，在低空經(jīng)濟、智慧城市、航空航天、智慧醫(yī)療和生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有極大應(yīng)用價值。無源感知利用無源物聯(lián)免電源、易部署技術(shù)優(yōu)勢，極大的地降低特定場景的感知成本，拓展感知廣度；量子傳感通過量子效應(yīng)提高感知精度，具有非破壞性、實時性、高靈敏性、穩(wěn)定性和多功能等優(yōu)勢；通感一體通過將無源感知是一種不依賴傳統(tǒng)電源的傳感技術(shù)，通過解析無線信號的反射和散射，基于相位信息與傳輸距離和信號載波波長的關(guān)系，推斷出目標狀態(tài)變化，以實現(xiàn)周圍環(huán)境變化的細粒度感知[1]。無源感知技術(shù)按照部署方式分為綁定式感知和非綁定式感知，綁定式感知主要指無源標簽綁定在感知目標上，根據(jù)標簽的感知信息來推感知目標的位置變化、微狀態(tài)變化等信息。非綁定式感知不對感知目標綁定任何標簽等設(shè)備，利用感知目標對標簽信號的反射影響，類、回歸等推理過程。傳統(tǒng)的建模推理方法由于泛化性的需求導(dǎo)致模型相對簡03類結(jié)果之間的非線性關(guān)系。結(jié)合AI技術(shù)后，基于深度學習、強化學習等智能化魯棒的泛在智能感知機制[2][3][4]。二是與新材料和新技術(shù)的結(jié)合。正交頻分復(fù)用（OFDM）、可見光通信（VLC）、氣敏材料等技術(shù)的應(yīng)用，為無源感知技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。其中，OFDM技術(shù)通過多載波傳輸特性，增強了RFID系統(tǒng)的傳感能力[5][6]，使得在不增加硬件成本的情況下，能夠并行收集多維度的傳感數(shù)據(jù)。VLC技術(shù)則利用照明設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸[7]，為無源RFID標簽提供了新的通信方式，實現(xiàn)了可見光與RFID標簽之間的創(chuàng)新通信。此外，氣敏材料等環(huán)境敏感材料與RFID標簽的核心指標，可引導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化，提升目標信號此外，基于感知信噪比模型，無源感知技術(shù)將能夠拓展其應(yīng)用范疇，包括物體姿態(tài)追蹤、人體微動作感知和生命體征監(jiān)測等，同時在感知精度上實現(xiàn)從由于無源感知不帶電源的特性，其極易受到環(huán)境的干擾，導(dǎo)致感知精度降 04低，并且感知對象單一，難以全面刻畫感知目標的狀態(tài)，無法實現(xiàn)泛化魯棒的目標感知。未來，為解決上述問題，無源感知將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：一是利用多個標簽構(gòu)成陣列來解決環(huán)境干擾問題，通過構(gòu)造多條信道保證感知的魯棒穩(wěn)定，消除環(huán)境因素的干擾；二是將無源感知與視覺等其他模態(tài)感知技術(shù)進行融合感知，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提升感知魯棒性；三是提升單標簽性能，通過在標簽無源感知技術(shù)廣泛應(yīng)用在智慧康養(yǎng)、智慧醫(yī)療、航空航天、智慧城市等場景中。針對智慧康養(yǎng)場景，無源感知技術(shù)實現(xiàn)家庭場景下無感式的呼吸、心跳檢測，實時監(jiān)測家庭成員的健康狀態(tài)，對異常情況及時告警。針對智慧醫(yī)療場景，無源感知實現(xiàn)輸液瓶液位的實時監(jiān)測，解決了人工記錄效率低、時效性差等痛點問題，減少醫(yī)療事故的發(fā)生。針對航空航天場景，無源感知實現(xiàn)有效載荷運行狀態(tài)實時監(jiān)測，提升載荷實時監(jiān)控和故障處置效率。針對智慧城市場景，無源感知實現(xiàn)了地下管廊中人員的精準定位，提升城市生命線智能化管理傳統(tǒng)心跳和呼吸的監(jiān)測方法包括佩戴專門的可穿戴設(shè)備或者利用雷達、wi?等無線通感技術(shù)進行監(jiān)測，存在可穿戴設(shè)備需要定期充電、無線信號無法區(qū)分多人身份等問題。無源感知通過在胸前部署標簽陣列濾除環(huán)境的噪聲，利用算法從信號中提取心跳和呼吸所對應(yīng)的信號，再從信號中計算心率和呼吸頻率的具體值，從而實現(xiàn)對心跳和呼吸的無源感知。相較于可穿戴設(shè)備具有非侵入、非接觸、免充電的優(yōu)勢；相較于基于雷達、wi?的通感融合技術(shù)相比，可05輸液時滴速監(jiān)測精度要求高、人力開銷大，基于無源感知技術(shù)，通過內(nèi)置無源標簽的滴速檢測裝置，自動、便捷實現(xiàn)滴速監(jiān)測。其中一個標簽為感知標簽，用于捕捉液滴滴落帶來的信號變化，而另一個為參考標簽，用于感知外界環(huán)境的多徑干擾，基于信號差分的思想設(shè)計算法排除外界干擾、提取輸液液滴圖4基于RFID的輸液滴速監(jiān)測系統(tǒng)DropMonitor[10] 06空間站作為復(fù)雜的航天器系統(tǒng)，其運行管理涉及環(huán)境控制、能源管理、生命保障、科學實驗等多個方面。我國空間站科學實驗艙中部署有實驗柜、供電柜、流體回路設(shè)備等大量儀器設(shè)備，儀器狀態(tài)對于空間站平穩(wěn)運行至關(guān)重要?？臻g站對電池有嚴格的管理要求，對無源化有強烈需求?；跓o源感知技術(shù)的智能微系統(tǒng)設(shè)備，通過非侵入式安裝，實現(xiàn)了對多種柜體有效載荷狀態(tài)、環(huán)境溫濕度的實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常能耗情況時，提前運維預(yù)警，填補了國內(nèi)航空航圖5空間站中無源感知部署方案城市綜合地下管廊環(huán)境復(fù)雜、空間狹窄，巡檢人員存在缺氧、高溫、有害氣體泄露等潛在危險，實時精準的人員定位有助于快速定位事故發(fā)生位置，及時開展救援。利用無源感知技術(shù)，在管廊內(nèi)壁均勻部署無源感知標簽，巡檢人員經(jīng)過標簽影響無線信號衰減和多徑效應(yīng)，將接收端信號特征變化結(jié)合機器學習、多參數(shù)融合等AI技術(shù)，構(gòu)建CSI信道分析模型，分析人員精準的位置信息，實現(xiàn)<2米精度的人員定位。另外，在管廊內(nèi)需要進行環(huán)境監(jiān)測和能耗管理07的點位布放無源無線智能感知終端，即放即用，實現(xiàn)對溫度、濕度、能耗等感知數(shù)據(jù)的按需采集和自動化上報，解決了傳統(tǒng)傳感器需插線供電，移動性不40。2.5m2.5m工卡簽圖6無源無線人員定位方案2.2通感一體隨著無線通信系統(tǒng)的不斷演進，未來6G圖7通感一體技術(shù)示意圖將不僅具備連接萬物的通信能力，還將具有無所不在的感知能力，其核心通感一體tions,通感一體)是一種通過共享頻譜和硬件來實現(xiàn)通信和感知兩種功能的技術(shù)[11],既可以圖7通感一體技術(shù)示意圖實現(xiàn)對于無設(shè)備的目標檢測和追蹤，提供更加泛在的定位服務(wù)；又可以實現(xiàn)對 08作為6G的關(guān)鍵技術(shù)，通感一體技術(shù)近年來在理論技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)方面取得在理論技術(shù)方面，關(guān)于通感一體整體性能指標的研究引發(fā)了越來越多的關(guān)注，傳統(tǒng)無線通信基于信息論，而傳統(tǒng)無線感知基于估計理論的指標和極限，為了融合兩者，可以將通信指標替換成等效MSE或感知指標替換成信息估計速率，從而實現(xiàn)指標的融合。為解決替換后指標可靠性降低的問題，業(yè)界探索建立容量-失真函數(shù)，利用一定感知失真下的通信容量來表征通感一體系在應(yīng)用技術(shù)方面，國內(nèi)已面向5G-A演進對和應(yīng)用示范。通感一體基站可以為低空經(jīng)濟提供有效的監(jiān)管手段，通過全天候，無死角，高精度和低成本的感知能力，實現(xiàn)基于通信網(wǎng)絡(luò)的無人機的檢測定位和黑飛監(jiān)控。此外，通感一體技術(shù)在陸地和水域的場景上也進行了大量的盡管近年來通感一體技術(shù)持續(xù)取得進展，但在組網(wǎng)干擾和分辨能力上仍面臨挑戰(zhàn)：在組網(wǎng)干擾上，在目前的小范圍組網(wǎng)測試中，由于基站感知工作態(tài)時的發(fā)射功率較高，低空探測時的仰角也較高，導(dǎo)致其對于周圍通信基站的干擾影響嚴重。此外，多基站協(xié)同感知時彼此干擾的消除也成為一大挑戰(zhàn)。在分辨能力上，基站受限于自身的孔徑大小，很難實現(xiàn)極高分辨率感知，導(dǎo)致目前感知應(yīng)用大多都屬于檢測定位類。環(huán)境重構(gòu)類的應(yīng)用需要極高的分辨率，需要研發(fā)如何利用多基站資源甚至運動的用戶終端來構(gòu)建協(xié)同感知模式，形成巨大的近幾年，3GPP、ITU等標準組織對通感一體應(yīng)用場景展開了深入的研究并發(fā)布了相應(yīng)的研究成果[12][13][14]，將場景分為三類：一是檢測、定位和跟蹤類，以檢測目標有無、感知目標位置和速度為基本檢測特征，包括無人機、車輛、09姿勢識別等。三是環(huán)境監(jiān)測，包括降雨監(jiān)測、洪水監(jiān)測、環(huán)境重構(gòu)、微形變監(jiān)典型場景A：低空經(jīng)濟——無人機（UAV）檢測面向低空經(jīng)濟發(fā)展需求，利用信息通信基礎(chǔ)設(shè)施泛在特性，對無人機進行檢測管理，可有效提高監(jiān)管效能，具體方案包括：一是無人機入侵檢測，支撐機場、政府、研究所、軍事區(qū)域、高鐵站等敏感區(qū)域的高級別管控要求。二是無人機路徑管理，綜合感知無人機位置、高度、航向、速度等信息，若發(fā)現(xiàn)與原計劃飛行軌跡不符，則引導(dǎo)回歸正確航跡；構(gòu)建3D地圖或障礙信息，當無人機接近障礙物（例如樓宇、山體），引導(dǎo)無人機調(diào)整飛行路線，避免碰撞；同一區(qū)域存在多個無人機時，根據(jù)各無人機的位置、高度、航向、速度等信息，預(yù)測其航跡，若預(yù)計無人機間將發(fā)生沖突，則給出沖突告警，此類技術(shù)廣泛應(yīng)（b）無人機航線保護（a）無人機非法入侵檢測（b）無人機航線保護（d）無人機防碰撞（c）無人機飛行軌跡跟蹤（d）無人機防碰撞圖8感知UAV四類典型用例 在智能交通場景中，隨著車輛智能化越來越高，需要車輛或網(wǎng)絡(luò)掌握更全面的信息以便輔助自動駕駛。單車雷達或攝像頭識別具有感知范圍受限、感知盲區(qū)大、感知實時誤判大等缺點。利用移動通信網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋、組網(wǎng)能力強等特點，對車輛或行人進行較大區(qū)域的連續(xù)感知識別，為自動駕駛和交通管理提（b）行人檢測（a）車輛信息統(tǒng)計（b）行人檢測圖9車輛和行人檢測示意圖典型場景C：設(shè)施微形變監(jiān)測圖10檢測橋梁微形變示意圖2.3量子傳感量子傳感是與量子通信、量子計算并列的三大量子力學技術(shù)之一，其利用量子力學原理中微觀粒子相干性、糾纏性、量子疊加等特性，實現(xiàn)對物理量的超高精度測量。不同于傳統(tǒng)傳感器，量子傳感器可以突破經(jīng)典測量的統(tǒng)計極限，通過對微觀粒子量子態(tài)演化過程的操控進一步提高靈敏度，降低噪聲，從而在極小的物理變化中獲得可靠數(shù)據(jù)，提升測量精確度[16]。近年來，量子傳感在滿足高精度定位、計量和測量方面的需求中扮演了重要角色，例如水下或地下導(dǎo)航、非侵入式醫(yī)學成像、地質(zhì)勘探及基礎(chǔ)科學研究等[17][18]。當前，量子傳圖11分立性(分立能級)、相干性(量子疊加態(tài)、糾纏態(tài))、隨機性(量子噪聲）[19]近年來，量子傳感技術(shù)在時間基準、磁場感應(yīng)和重力探測等多個領(lǐng)域取得一是量子原子鐘的發(fā)展。原子鐘在量子傳感的時間同步和高精度計時方面十分重要，研究團隊通過利用原子之間的光頻共振，改進了光頻梳和激光系統(tǒng)傳統(tǒng)的微波原子鐘，使其在導(dǎo)航、深空探測和基礎(chǔ)物理實驗中被廣泛應(yīng)用。例 如，在GPS拒止環(huán)境下提供高精度導(dǎo)航定位信號服務(wù)，或是檢驗廣義相對論和圖12微波原子鐘、光頻原子鐘及原子核鐘[21]我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴重、受威脅人口最多的國家之一，同時擁有7萬余座露天礦山、9萬座各類水庫、大量高鐵橋梁及超高層建筑，這些設(shè)施的安全監(jiān)測關(guān)系國計民生。通感一體技術(shù)為這些設(shè)施的檢測提供了一個潛在方案[15]，通過長期監(jiān)測設(shè)施的微小變化，觀測設(shè)施質(zhì)量、使用情況以及風險，保障二是原子磁力儀的技術(shù)進展。原子磁力儀在近年來的技術(shù)改進使其在生物溫下進行高精度的磁場檢測，避免了傳統(tǒng)磁力儀中對超導(dǎo)冷卻的依賴[22]。NV色心磁力儀可以在檢測腦磁圖（MEG）和心磁圖（MCG）時提供毫米量級的空間分辨率和毫秒量級的時間分辨率，使得它在神經(jīng)科學和心血管疾病的檢測三是量子重力傳感器的最新應(yīng)用。量子重力儀近年來在地質(zhì)勘探和資源監(jiān)測中表現(xiàn)出更高的靈敏度，基于冷原子干涉的重力傳感器可以檢測到極小的重力變化，并用于監(jiān)測地下資源和結(jié)構(gòu)的變化，已經(jīng)成功應(yīng)用于地下礦藏的探測、地震前兆的監(jiān)測等任務(wù)中。研究團隊通過改善傳感器的噪聲抑制能力和測量精度，使得這些設(shè)備能夠穩(wěn)定運行更長時間，并提供更加精確的重力變化數(shù)盡管量子傳感技術(shù)展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，現(xiàn)階段的研發(fā)仍然面臨諸多挑失去量子效應(yīng)是技術(shù)進一步成熟的關(guān)鍵；二是研發(fā)及生產(chǎn)成本等問題限制了量量子傳感技術(shù)近年來的進步為多個實際場景帶來了變革性的應(yīng)用。這些新興應(yīng)用場景涵蓋了從導(dǎo)航定位到環(huán)境監(jiān)測、再到生物醫(yī)學等多個領(lǐng)域，在提升數(shù)據(jù)精度、延長傳感器運行時間以及降低操作復(fù)雜性等方面已經(jīng)展示了獨特的價值。例如，量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可在無衛(wèi)星信號的情況下提供穩(wěn)定的導(dǎo)航服務(wù)；原理磁力儀、重力儀等在遙感探測、基礎(chǔ)物理研究中引入了全新的測繪手段；量子磁力儀則用于非侵入式醫(yī)學成像，提供了更高精度的生物磁信號檢圖13量子傳感器面臨的適應(yīng)性約束條件示意圖[24] 典型場景A：導(dǎo)航與定位量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS不可用或信號受到干擾的環(huán)境提供了可靠的解決方案，基于量子陀螺儀和量子加速度計，精確測量設(shè)備的旋轉(zhuǎn)和加速度變化，在無需依賴外部衛(wèi)星信號的情況下，提供連續(xù)、高精度的定位信息。與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比，量子系統(tǒng)能夠更長時間維持精度，減少了由于漂移效應(yīng)帶來的誤差累積問題[25]。無人機，潛艇和深海探測器也已經(jīng)開始嘗試使用量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以應(yīng)對水下復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航需求。由于該系統(tǒng)能夠抵抗外界干擾并在極端條件下運行，它特別適合在GPS信號被屏蔽或干擾的環(huán)境中工作，例如戰(zhàn)時環(huán)境或偏遠地區(qū)[26]。這種量子導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用為未來的無人駕駛、軍典型場景B：遙感探測與基礎(chǔ)物理研究遙感探測是量子傳感技術(shù)的重點應(yīng)用方向之一，主要代表技術(shù)包括原子磁傳感器和原子重力儀，在地球磁場和重力場的高精度測繪、航空物探、磁異常和重力異常檢測中也發(fā)揮著重要作用。原子磁傳感器可以為本地和遠程傳感和測繪提供高性能磁場測量能力，如激光導(dǎo)星技術(shù)[27]，即通過向大氣中發(fā)射激光來創(chuàng)建人造導(dǎo)星。量子傳感器在基礎(chǔ)物理研究中的應(yīng)用也愈發(fā)重要，例如基于原子鐘的時間同步系統(tǒng)還支持超長基線干涉測量，從而實現(xiàn)如黑洞觀測等極限天文觀測能力。此外，量子傳感技術(shù)在諸多前沿物理探測領(lǐng)域，特別是在暗物質(zhì)、暗能量及其他基礎(chǔ)物理實驗中逐步嶄露頭角[28]。典型場景C：醫(yī)學診斷在生物醫(yī)學領(lǐng)域，量子傳感技術(shù)為非侵入式診斷和生物磁信號檢測帶來了精確測量，為心磁圖和腦磁圖檢測提供了更高的時間和空間分辨率，甚至可達單個分子級別[29]。與傳統(tǒng)的醫(yī)學成像設(shè)備相比，量子磁力儀無需依賴超導(dǎo)磁體和冷卻設(shè)備，因此操作更加便捷，成本也得到了顯著降低[30][31]。在腦磁圖領(lǐng)域，量子磁力儀能夠檢測到神經(jīng)元活動產(chǎn)生的微弱磁場信號，從而實現(xiàn)對大腦功能的實時監(jiān)測，不僅可以用于診斷癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，還能夠幫助醫(yī)生在 先進感知新材料柔性傳感觸覺傳感DnRT92.4柔性傳感隨著智能可穿戴設(shè)備、柔性電子技術(shù)發(fā)展，對傳感器柔韌性、適應(yīng)性和集成性提出更高要求，推動柔性傳感技術(shù)快速發(fā)展。柔性傳感技術(shù)利用柔性材料和微納加工技術(shù)，制造能在受力、形變、溫度變化等刺激下產(chǎn)生可檢測電信號的傳感器。其工作原理基于材料的壓阻、電容、壓電等效應(yīng)[32]。相較于傳統(tǒng)剛性傳感器，柔性傳感器具有更好的柔韌性、可穿戴性、輕量化和適應(yīng)復(fù)雜表面的能力，易于集成和大規(guī)模生產(chǎn)。柔性傳感器在健康監(jiān)測、智能服裝、機器人、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，為智能化生活和工業(yè)自動化提供了關(guān)鍵技術(shù)圖14柔性傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 柔性傳感技術(shù)通過提供靈活、舒適的感知交互方式，增強了設(shè)備的功能性和適應(yīng)性，已廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、智能穿戴、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域，它通過可穿戴設(shè)備實時監(jiān)測生理參數(shù)，提高疾病預(yù)防和治療效率。在消費電子市場，柔性傳感器使設(shè)備更貼合用戶，提升用戶體驗。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，在慢性病管理中，柔性傳感技術(shù)通過健康監(jiān)測手環(huán)和生物兼容性的電子皮膚等柔性可穿戴設(shè)備，提供長期的、不受限制的監(jiān)測，實時跟蹤患者的生理參數(shù)，如心率、血壓和血糖水平，實現(xiàn)連續(xù)的健康監(jiān)測，有效提高診斷準確性，使得個性化治療成為可能，以脈搏波檢測為例[36]。柔性脈搏傳感器能夠長期實時監(jiān)測心血管狀態(tài)，它將脈搏跳動的壓力信號采集并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大和調(diào)理后，得到脈搏跳動的完整波形。通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計，如微毛結(jié)構(gòu)，增強與不規(guī)則表皮的有效接觸，最大化信號放大作用，從而提高信噪比。與傳統(tǒng)的脈搏監(jiān)測方法相比，柔性傳感器因其貼合性好、信號傳輸無線化等特點，在不影響人體運動狀態(tài)下長時間采集心電數(shù)據(jù)，并實時傳輸至監(jiān)護終端進行分析處理，大大提高了監(jiān)測的便捷性和準確性。此外，柔性傳感器的高靈敏度和快速響應(yīng)能力使其在監(jiān)測心率變異性（HRV）等細微生理變化方面展現(xiàn)出優(yōu)勢，這為個性化醫(yī)療和健康監(jiān)測提供了強有力的技術(shù)支持，具有重要的臨床價值和廣圖15柔性傳感器應(yīng)用在脈搏波監(jiān)測 典型場景B：智能穿戴領(lǐng)域柔性傳感技術(shù)極大地豐富了可穿戴設(shè)備的功能并提升了用戶體驗。通過集柔性傳感器的輕量化和定制化特點也使得智能穿戴設(shè)備設(shè)計更加多樣化，能夠提供更加直觀和自然的交互體驗。這些改變不僅提高了智能穿戴設(shè)備的市場接圖16柔性傳感技術(shù)在智能穿戴領(lǐng)域中的應(yīng)用典型場景C：環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域20應(yīng)用提高了數(shù)據(jù)收集的精確度和響應(yīng)速度，為環(huán)境保護和資源管理提供了強有2.5觸覺傳感觸覺傳感技術(shù)是模擬人類觸覺，基于壓阻、電容、壓電等效應(yīng)，將機械刺激轉(zhuǎn)換為電信號，檢測接觸力、滑動、溫度等物理量，使機器人能夠理解和響應(yīng)實體環(huán)境。觸覺傳感的優(yōu)勢在于高空間分辨率、多模式感知和豐富的觸覺信息，提供比傳統(tǒng)傳感器更精細的感知能力。觸覺傳感技術(shù)有效提高機器人的靈巧性，提升機器人與人類互動的安全性和有效性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)、工業(yè)圖17三維觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖[38] 目前觸覺傳感技術(shù)面臨的難點主要包括提高傳感器的空間分辨率和靈敏以下幾個方向：一是傳感器的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計將更加精細化和多功能化，以實現(xiàn)更高的靈敏度和分辨率。二是多模態(tài)傳感技術(shù)的融合將使傳感器能夠同時檢觸覺傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)、服務(wù)機器人、消費電子等領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域中，觸覺傳感器輔助進行微創(chuàng)手術(shù)，提高了手術(shù)的精確性和安全性。服務(wù)機器人通過觸覺反饋，提供更加人性化的交互體驗。在消費電子中，觸覺觸覺傳感技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用帶來重要的變化，尤其是在手術(shù)和康復(fù)治22提供類似于直接接觸人體組織的感知能力，增強了手術(shù)過程中的交互性和可靠性，也解決了傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)中醫(yī)護人員可能暴露于放射線和整形外科危害的問觸覺傳感技術(shù)在機器人靈巧手技術(shù)領(lǐng)域極大地提升了交互能力和任務(wù)執(zhí)行圖18觸覺傳感器在服務(wù)機器人領(lǐng)域的應(yīng)用[39] 23典型場景C：消費電子領(lǐng)域覺反饋技術(shù)被集成到智能手機和游戲控制器中，增強了用戶操作的沉浸感和真?zhèn)鞲屑夹g(shù)將在未來的電子產(chǎn)品中得到更廣泛的應(yīng)用，從而進一步推動消費電子圖19觸覺傳感在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用[40]24先進感知新工藝激光直寫共形制造工藝智能微系統(tǒng)2.6激光直寫共形制造工藝隨著航空航天、醫(yī)療健康等領(lǐng)域?qū)鞲衅餍枨蟮亩鄻踊l(fā)展，傳統(tǒng)濺射工藝制造技術(shù)對新材質(zhì)襯底適應(yīng)能力不足、大面積制備與共形制備能力不足、設(shè)計驗證周期長等缺點逐漸顯露。尤其是空天高溫環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域使用的高溫環(huán)境可共形傳感器，大面積柔性傳感器陣列，傳統(tǒng)傳感器缺乏有效的解決途徑，亟需高適應(yīng)性、高可靠度、大面積、可共形的傳感器制造技術(shù)，適應(yīng)未來傳感器更高效費比、更強襯底適應(yīng)性、更大制備區(qū)域的發(fā)展需求。激光直寫共形制造技術(shù)利用光刻、光（熱）固化、光化學反應(yīng)原理實現(xiàn)電子材料的高效成形，能夠在粗糙、曲面襯底上快速地大面積制造敏感膜層，是開發(fā)極端環(huán)境傳感器、曲面共形傳感器、特種柔性傳感器、生物傳感器的優(yōu)勢方法，在高速飛行器氣動參數(shù)原位測量、葉片、舵翼曲面參數(shù)獲取、醫(yī)用可穿近年來，激光直寫共形制造技術(shù)取得新進展涉及微機電、微能源、信息處聚酰亞胺與納米銀兩類材料，采用256噴頭陣列化噴墨打印，大大提高了制備效率，分辨率可達35微米，其陣列化與集成化思想彌補了單頭直寫效率不足的圖20NanoDimension展示的平面換能器、三維集成電路、WiFi熱點25Frauhofer激光技術(shù)研究所研發(fā)在支撐結(jié)構(gòu)的表面逐層直寫絕緣介質(zhì)材料與功能材料，然后采用激光對其進行選擇性熔覆，最后再與成熟的電路板互聯(lián)，讓傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)具有感知能力，用于火車門機構(gòu)、初級和偏航阻尼器、圖21Frauhofer直寫制備小批量壓電傳感元件并將分立的元件集成在擴音電路上圖22Frauhofer在類鐵軌結(jié)構(gòu)上直寫的開發(fā)的SenseTrAIn集成傳感器系統(tǒng)在高溫環(huán)境特種測量領(lǐng)域，MesoScribe公司研制在渦輪葉片等結(jié)構(gòu)制備溫度傳感器，采用等離子熱噴涂技術(shù)，將材料加熱至熔點并將其在高壓氣體的作用下噴射到襯底表面。等離子熱噴涂的理論溫度上限可達3000℃,該技術(shù)最大的優(yōu)勢是可適應(yīng)材料庫充裕，產(chǎn)品可耐高溫，例如氧化鋁、氧化鋯、氧化鉿陶瓷和W、Pt、NiCr、Au、Ag、Cu等金屬，產(chǎn)品大多用于軍工、航天工 26圖23熱噴涂直寫技術(shù)在曲面圖24熱噴涂直寫制備的共形熱電偶、熱電堆、應(yīng)變柵傳感器典型場景A：航空航天領(lǐng)域27典型場景B：醫(yī)療健康領(lǐng)域在醫(yī)療健康領(lǐng)域與仿生機器人領(lǐng)域，基于激光直寫共形制造工藝制造的柔性襯底的可拉伸變形特性使其能適應(yīng)人體外表皮膚、衣物、仿生機械臂的柔性折疊或拉伸行為，同時具備溫度、壓力、剪切力、濕度、氣體、體液等多維感知能力[43][44]。激光直寫通過激光化學法原位生成石墨烯或通過激光燒結(jié)原位固化金屬（Ag、Pt、Cu）或陶瓷（ZnO、圖26激光直寫多維信息融合傳感器SnO2、MoO2）基液相電子材料，實現(xiàn)多維信息傳感的能力，為實現(xiàn)觸覺/嗅2.7智能微系統(tǒng)隨著物聯(lián)網(wǎng)、微電子等技術(shù)的飛速發(fā)展，終端設(shè)備正朝著微型化、高度集成、無源化及智能化方向不斷邁進，智能微系統(tǒng)技術(shù)在此背景下蓬勃興起。智能微系統(tǒng)通過先進封裝與加工工藝，將圖27智能微系統(tǒng)典型架構(gòu)傳感器、處理器、通信組件及供能模塊等核心器件集成于微小物理空間內(nèi)，具備信息的獲取、處理、通訊、執(zhí)行以及能源供給等多種功能，顯著提升了系統(tǒng)圖27智能微系統(tǒng)典型架構(gòu)高集成度、低功耗、智能化的特點，在航空航天、工業(yè)制造、醫(yī)療健康、智慧 28四是供能技術(shù)方面，智能微系統(tǒng)通過多源復(fù)合的能量收集、存儲與釋放機五是通信技術(shù)方面，智能微系統(tǒng)普遍采用高效的無線通信技術(shù)實現(xiàn)信息通通過反向散射機制反射射頻信號傳輸數(shù)據(jù)，與智能微系統(tǒng)的低功耗需求高度契智能微系統(tǒng)領(lǐng)域近年來已取得了諸多技術(shù)突破，但目前仍處于技術(shù)發(fā)展的感器組成的模塊或整機將逐漸被高集成度的異質(zhì)異構(gòu)集成微系統(tǒng)所取代，智能29當前，智能微系統(tǒng)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新與產(chǎn)品創(chuàng)新正處于蓬勃發(fā)展之中。在醫(yī)智能藥丸是一種利用了智能微系統(tǒng)技術(shù)、能夠進入人體內(nèi)部進行藥物傳輸、生理監(jiān)測或醫(yī)學檢查的智能微型裝置。在藥物釋放控制方面，智能藥丸集成微型傳感器、微處理器和微型泵等技術(shù)，根據(jù)體內(nèi)環(huán)境的實時變化（如pH值、溫度、壓力等）來觸發(fā)藥物的釋放，實現(xiàn)體內(nèi)的精準給藥，從而提高藥物的生物利用度和治療效果。在體內(nèi)成像方面，通過將智能藥丸集成微型成像設(shè)備，跟隨胃腸肌肉的運動而在體內(nèi)進行實時成像和傳輸，有助于醫(yī)生對消化道疾病進行更準確的診斷。在生理監(jiān)測方面，通過智能微系統(tǒng)技術(shù)將超低功耗處理、無線傳輸技術(shù)與葡萄糖動力燃料電池、電化學傳感相結(jié)合，形成具備能量收集、生物傳感和無線遙測功能的智能藥丸，幫助患者無痛、便捷地監(jiān)測胃腸圖28智能藥丸內(nèi)部構(gòu)造 30微納衛(wèi)星通常是指質(zhì)量在1kg~100kg以內(nèi)，具有納衛(wèi)星對功能密度要求極高，這與智能微系統(tǒng)的特性相匹配，因此智能微系統(tǒng)技術(shù)在微納衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用正逐漸成為研究和應(yīng)用熱點。相對傳統(tǒng)衛(wèi)星，微納衛(wèi)星具有尺寸小、重量輕、開發(fā)周期短、研制成本低、技術(shù)更新快、靈活機動性好、生存能力強等優(yōu)勢，在地質(zhì)勘探、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、交通運輸、氣象服務(wù)、新技術(shù)試驗、航天工程教育等方面應(yīng)用前景廣闊，也是各國航天裝備體系建設(shè)的重要方向之一[1]。我國率先開展了微納航天器的首次將三軸穩(wěn)定方式用于25kg以下的微小衛(wèi)星。成功研制并運行了國內(nèi)第一顆納型衛(wèi)星NS-1衛(wèi)星，也是當時世界上在軌飛行的最小“輪控三軸穩(wěn)定衛(wèi)星”。2015年研制并發(fā)射了NS-2（10公斤量級）MEMS技術(shù)試驗衛(wèi)星，成功開展了基于MEMS的空間微型化器組件試驗研究。目前，如MEMS磁敏感器、MIMU先進感知新算法腦電傳感算法光纖傳感算法pnR2.8腦電傳感算法隨著醫(yī)學領(lǐng)域?qū)Υ竽X工作機制的深入研究，以及人們對腦機交互需求的日益增長，腦電傳感算法成為獲取并解析大腦活動的關(guān)鍵手段。腦電傳感算法獲取大腦神經(jīng)元活動產(chǎn)生的微弱電位變化（即腦電信號），進行特征提取和模式識別，實現(xiàn)對個體思維、情緒等腦內(nèi)活動的解讀。腦電傳感算法時域分辨率及靈敏度高，能夠?qū)崟r記錄、解碼和分析大腦活動，直觀可靠地反映大腦的狀態(tài)一是算法精度不斷提高。研究者們引入共空間模式（CSP）、黎曼幾何和溯源分析等方法，有效提取腦電信號時域、頻域和空域特征，提高識別準確性。此外，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、感算法之中，AI模型對腦電特征進行自動學習與深度挖掘，極大提升數(shù)據(jù)分析二是算法實時性不斷增強。研究者們設(shè)計了輕量級卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)EEGNet32提升算法速度。LPEEGNet[47]進一步優(yōu)化，減少了計算量和內(nèi)存訪問操作，提高了吞吐量，降低了FPGA帶寬限制造成的性能損失。得益于高性能計算技術(shù)和優(yōu)化算法的不斷革新，腦電傳感算法能夠?qū)崿F(xiàn)近乎實時處理反饋，促進了腦三是腦電與其他生理數(shù)據(jù)的多模態(tài)融合傳感。由于大腦神經(jīng)活動的復(fù)雜近年來，研究者們將腦電數(shù)據(jù)與其他生理數(shù)據(jù)相結(jié)合，如眼動追蹤、面部盡管腦電傳感算法取得了顯著進展，但仍面臨一些難點。一是腦電傳感算法的魯棒性有待提升。腦電信號處于微伏數(shù)量級，無論是電子設(shè)備的電磁干擾，還是人體自身產(chǎn)生的其他電信號，都可能導(dǎo)致腦電數(shù)據(jù)失真，從而降低腦電傳感算法的識別精度。二是腦電傳感算法的泛化性不足。每個人的大腦結(jié)構(gòu)都是獨一無二的，這種獨特性在腦電信號上得到了充分體現(xiàn)，不同個體的腦電信號在波形特征和信號強度上存在區(qū)別，對腦電傳感算法的泛化性提出了更高要求。三是腦電傳感算法的隱私性和安全性面臨挑戰(zhàn)。腦電信號作為人類思維活動的直接生理反映，承載著高度的私密性，如何防止腦電數(shù)據(jù)泄露或被惡意利用，成為了社會關(guān)注的問題。雖然腦電傳感面臨上述困難，但其未來的發(fā)展依舊充滿潛力，通過更加智能和高效的AI算法，有望克服腦電信號的復(fù)雜性和個體差異性，對腦電信號進行更加精準和深入的解讀。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)和相關(guān)法律法規(guī)的不斷完善，腦電信號的隱私保護也將得到更加堅實的保腦電傳感算法在醫(yī)療、娛樂及教育等多個場景展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。醫(yī)療場景中，腦電傳感算法可以輔助疾病診斷與康復(fù)治療；娛樂場景中，腦電傳感算法可以實現(xiàn)腦控游戲角色，提供沉浸式體驗；教育場景中，腦電傳感算法實時監(jiān)測學生學習狀態(tài)，實現(xiàn)個性化教學。這些新場景的應(yīng)用不僅提高了工作 33腦電傳感算法通過分析患者腦電波數(shù)據(jù)，識別出大腦活動的異常模式。相比于傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷方法，提供了更直接、更客觀的腦部狀態(tài)監(jiān)測手段，不僅提高了診斷的效率，還為個性化治療方案提供了數(shù)據(jù)支持。隨著腦電傳感治療更加精準和可靠。例如，在癲癇的治療中，腦電傳感算法可以精準定位病灶，為手術(shù)或藥物治療提供精確指導(dǎo)，減少不必要的藥物使用和手術(shù)風險。此外，腦電傳感算法還應(yīng)用于腦機接口（BCI）技術(shù)，通過解碼腦電信號識別患者的意圖，轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備的控制指令，如機械臂、輪椅甚至電腦光標等，幫助癱瘓患者重新獲得運動能力[48]，不僅極大地改善了癱瘓患者的生活質(zhì)量，也腦電傳感算法通過捕捉和分析玩家的腦電信號，游戲系統(tǒng)能夠響應(yīng)玩家的意念，實現(xiàn)自然流暢的游戲控制，并根據(jù)玩家的情緒反應(yīng)調(diào)整游戲難度和劇情走向，創(chuàng)造個性化的游戲體圖32具有腦電傳感功能的AR圖32具有腦電傳感功能的AR/VR頭顯Galea使游戲角色動作能夠精確且迅速地響應(yīng)玩家的思維指令，有效解決原先游戲角色動作與玩家思維不同步的問題。在虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）應(yīng)用中，腦電傳感算法實時監(jiān)測用戶的情緒反應(yīng)和注意力水平，動態(tài)調(diào)整虛擬環(huán)境中的視覺和聽覺刺激，確保用戶能夠舒適地享受虛擬體驗，避免疲勞和不適感。腦電傳感算法的應(yīng)用，不僅豐富了娛樂形式，也促進了娛樂產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和34腦電傳感算法監(jiān)測學生大腦活動，評估學生的專注度和疲勞程度，幫助教師判斷學生能否跟上教學節(jié)奏，是否需要調(diào)整教學策略[49]。得益于腦電傳感算法精度及實時性的提升，教師能夠在課堂上實時獲圖33學生課堂注意力實時監(jiān)測得學生狀態(tài)反饋，從而有效增強課堂教學的效率與質(zhì)量。此外，通過腦電傳感算法對腦電信號的準確分析，能夠識別學生的學習障礙，如閱讀障礙、數(shù)學焦慮等，為教師提供有針對性的干預(yù)建議。圖33學生課堂注意力實時監(jiān)測腦電傳感算法在教育場景的應(yīng)用，為學生提供了更加符合其學習特點的教育資2.9光纖傳感算法通過探測光信號變化來檢測物理量的一種技術(shù)。該技術(shù)具有抗電磁干擾、高靈敏度、高可靠性、遠傳輸距離和易組網(wǎng)等優(yōu)勢，特別適用于極端條件下的參數(shù)測量和惡劣環(huán)境下的在線監(jiān)測。同時，對光纖傳感算法的研究可以更好圖34光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用的實現(xiàn)高精度定位監(jiān)測以處理復(fù)雜的應(yīng)用場圖34光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用 35近年來，光纖傳感技術(shù)取得了顯著的發(fā)展和進步，主要體現(xiàn)在以下幾個方一是傳感器類型的多樣化。隨著布拉格光纖光柵（FBG）傳感器、長周期光纖光柵（LPFG）傳感器和光纖布里淵傳感器等新型光纖傳感器的不斷開二是傳感網(wǎng)絡(luò)的智能化。通過集成先進的信號處理算法和人工智能技術(shù)，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)更加智能化的數(shù)據(jù)采集、處理和分析，提高了監(jiān)測的準三是監(jiān)測距離和容量的增加。新一代光纖傳感網(wǎng)絡(luò)能夠承載更多傳感器，實現(xiàn)長達幾十甚至上百千米的大容量、長距離監(jiān)測，滿足了高速鐵路、高速公四是多參數(shù)監(jiān)測能力的提升。光纖傳感技術(shù)已經(jīng)能夠同時監(jiān)測多種物理量，如溫度、壓力、振動和應(yīng)變等，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測提供了更為全五是抗干擾性能的增強。新型光纖傳感器在設(shè)計上更加注重抗電磁干擾能雖已取得顯著進展，但光纖傳感技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)和難點。一是光纖傳感器的長期穩(wěn)定性和可靠性仍需提升，尤其是在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。二是光纖傳感系統(tǒng)的集成度和小型化仍待攻關(guān)，這涉及到傳感器的制造成本和部署便利性。三是光纖傳感數(shù)據(jù)的解調(diào)技術(shù)復(fù)雜，需要更先進的信號處理算法來提高數(shù)據(jù)的準確性和實時性。在未來，光纖傳感技術(shù)將更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化，通過采用先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)更精準的監(jiān)測和分析。同時，隨著新材料和制造36效率。智慧管線應(yīng)用中，光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)了對油氣管道的連續(xù)監(jiān)測，有效預(yù)防了泄漏和第三方破壞，保障了能源供應(yīng)的安全。在環(huán)境監(jiān)測方面，它能夠?qū)Φ湫蛨鼍癆：智慧交通光纖傳感技術(shù)在智慧交通領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了交通監(jiān)測和管理模式的變革。當車輛、行人等目標在光纖附近移動時，產(chǎn)生的振動使光纖產(chǎn)生形變，改變其物理性質(zhì)，從而可以通過后向散射光的變化在終端檢測并分析出振動信號的強度，建立起