2024先進(jìn)感知新技術(shù)及新應(yīng)用白皮書

圖1圖1 01先進(jìn)感知發(fā)展概述先進(jìn)感知發(fā)展概述伴隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)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)，正式步入網(wǎng)絡(luò)連接“物超人”時代，物聯(lián)網(wǎng)市場向著千億級連接規(guī)模邁進(jìn)?！叭f物智聯(lián)，感知為先”，感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最為重要的底層數(shù)據(jù)來源及核心技術(shù)支撐。近年來，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(xì)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)、處理等更多功能，提供更多服務(wù)；四是當(dāng)前有線連接的傳感器由于施工難度高、布設(shè)拉線成本超高，應(yīng)用受到制約。感知技術(shù)是多學(xué)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(jī)軟硬件、機(jī)械、理論數(shù)學(xué)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(jìn)感知技術(shù)不斷發(fā)展，通過對機(jī)理、材料、工藝和算法等四個方面的技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)拓展感知范圍，提升感知精度，優(yōu)化感知效率。0202 感知新機(jī)理是指基于物理、化學(xué)、生物的基本效應(yīng)，采用新的感知機(jī)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(biāo)，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)、通感一體技術(shù)及量子傳感。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，主要包括柔性傳感材料和觸覺傳感材料。感知新工藝是制作傳感器件實(shí)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(shí)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(jìn)入到圍繞“算法+硬件”競爭的階段。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(shí)現(xiàn)新的感知能力，主要包括腦電傳感算法和光纖傳感算法。在上述四類技術(shù)創(chuàng)新基礎(chǔ)上，先進(jìn)感知將持續(xù)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高精度、大量程、小體積、抗干擾、易部署等優(yōu)質(zhì)特性。先進(jìn)感知新機(jī)理無源感知通感一體量子傳感先進(jìn)感知新技術(shù)及新應(yīng)用先進(jìn)感知新技術(shù)及新應(yīng)用先進(jìn)感知新機(jī)理在先進(jìn)感知新機(jī)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(jì)、智慧城市、航空航天、智慧醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)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(shí)時性、高靈敏性、穩(wěn)定性和多功能等優(yōu)勢；通感一體通過將通信、感知和算力深度融合，提供更加泛在的定位感知服務(wù)。無源感知（1）無源感知新技術(shù)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(biāo)狀態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境變化的細(xì)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(biāo)簽綁定在感知目標(biāo)上，根據(jù)標(biāo)簽的感知信息來推感知目標(biāo)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(biāo)綁定任何標(biāo)簽等設(shè)備，利用感知目標(biāo)對標(biāo)簽信號的反射影響，構(gòu)建模型進(jìn)行感知，減小了設(shè)備部署開銷。近年來，無源感知技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展及成效：一是與AI技術(shù)結(jié)合。在無源感知技術(shù)中，無線信號“特征成像”和“智能推理”是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中“智能推理”需要根據(jù)“特征成像”輸出的多維特征實(shí)現(xiàn)分類、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 圖2基于RFID的感知原理單，難以用“模型驅(qū)動”的方式細(xì)致、有效地刻畫多維信號特征與最終輸出的分類結(jié)果之間的非線性關(guān)系。結(jié)合AI技術(shù)后，基于深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等智能化手段實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的推理過程，通過大量標(biāo)記的感知數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精確、泛化、魯棒的泛在智能感知機(jī)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(qiáng)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]，為無源RFID標(biāo)簽提供了新的通信方式，實(shí)現(xiàn)了可見光與RFID標(biāo)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(biāo)簽的結(jié)合[8]，為環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測提供了一種低成本且高效的新方法。三是基于感知信噪比的粒度優(yōu)化。感知信噪比（SSNR）作為衡量系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)，可引導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化，提升目標(biāo)信號的識別精度并降低噪聲干擾[9]。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(shí)現(xiàn)從分米級到厘米級甚至毫米級的躍升。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(biāo)的狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)泛化魯棒的目標(biāo)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(biāo)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(jìn)行融合感知，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提升感知魯棒性；三是提升單標(biāo)簽性能，通過在標(biāo)簽內(nèi)嵌入低功耗傳感設(shè)備或者部件，提升感知維度。（2）無源感知新場景無源感知技術(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(shí)現(xiàn)家庭場景下無感式的呼吸、心跳檢測，實(shí)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(shí)現(xiàn)輸液瓶液位的實(shí)時監(jiān)測，解決了人工記錄效率低、時效性差等痛點(diǎn)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(shí)現(xiàn)有效載荷運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，提升載荷實(shí)時監(jiān)控和故障處置效率。針對智慧城市場景，無源感知實(shí)現(xiàn)了地下管廊中人員的精準(zhǔn)定位，提升城市生命線智能化管理水平，減少安全事故發(fā)生。典型場景A：智慧康養(yǎng)——體征監(jiān)測傳統(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(dá)、wi?等無線通感技術(shù)進(jìn)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(biāo)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(shí)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(dá)、wi?的通感融合技術(shù)相比，可支持多人同時檢測心跳和呼吸的“可標(biāo)識”能力。05 圖4基于RFID的輸液滴速監(jiān)測系統(tǒng)DropMonitor圖4基于RFID的輸液滴速監(jiān)測系統(tǒng)DropMonitor[10] 06本報告來源于三個皮匠報告站（）,由用戶Id:768394下載,文檔Id:181892,下載日期:2024-11-20圖3基于無源感知的呼吸、心跳監(jiān)測典型場景B：智慧醫(yī)療——滴速監(jiān)測輸液時滴速監(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(biāo)簽的滴速檢測裝置，自動、便捷實(shí)現(xiàn)滴速監(jiān)測。其中一個標(biāo)簽為感知標(biāo)簽，用于捕捉液滴滴落帶來的信號變化，而另一個為參考標(biāo)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、提取輸液液滴相關(guān)的信號，從而準(zhǔn)確地計算輸液滴速。典型場景C：航空航天——空間站運(yùn)維監(jiān)測空間站作為復(fù)雜的航天器系統(tǒng)，其運(yùn)行管理涉及環(huán)境控制、能源管理、生命保障、科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多個方面。我國空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)艙中部署有實(shí)驗(yàn)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(yùn)行至關(guān)重要?？臻g站對電池有嚴(yán)格的管理要求，對無源化有強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了對多種柜體有效載荷狀態(tài)、環(huán)境溫濕度的實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常能耗情況時，提前運(yùn)維預(yù)警，填補(bǔ)了國內(nèi)航空航天領(lǐng)域無源感知應(yīng)用空白。圖5空間站中無源感知部署方案典型場景D：智慧城市——地下管廊巡檢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(shí)時精準(zhǔn)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(biāo)簽，巡檢人員經(jīng)過標(biāo)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(jī)器學(xué)習(xí)、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(zhǔn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)<2米精度的人員定位。另外，在管廊內(nèi)需要進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測和能耗管理07 2.5m的點(diǎn)位布放無源無線智能感知終端，即放即用，實(shí)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，移動性不足、或需內(nèi)置電池，人工替換成本高且繁瑣等問題。2.5m4040°管理平臺工卡簽圖6無源無線人員定位方案通感一體（1）通感一體新技術(shù)隨著無線通信系統(tǒng)的不斷演進(jìn)，未來6G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(IntegratedSensingandCommunica-tions,通感一體)是一種通過共享頻譜和硬件來實(shí)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(shí)現(xiàn)對于無設(shè)備的目標(biāo)檢測和追蹤，提供更加泛在的定位服務(wù)；又可以實(shí)現(xiàn)對于環(huán)境的感知，為構(gòu)建數(shù)字世界提供海量數(shù)據(jù)支持。 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)方面取得階段性進(jìn)展：在理論技術(shù)方面，關(guān)于通感一體整體性能指標(biāo)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(biāo)和極限，為了融合兩者，可以將通信指標(biāo)替換成等效MSE或感知指標(biāo)替換成信息估計速率，從而實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的融合。為解決替換后指標(biāo)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統(tǒng)的融合性能和理論極限。在應(yīng)用技術(shù)方面，國內(nèi)已面向5G-A演進(jìn)對通感一體技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和應(yīng)用示范。通感一體基站可以為低空經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)基于通信網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)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(jìn)行了大量的測試驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)人、車和無人機(jī)等地空多目標(biāo)同步精準(zhǔn)感知。盡管近年來通感一體技術(shù)持續(xù)取得進(jìn)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(yán)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(shí)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(yùn)動的用戶終端來構(gòu)建協(xié)同感知模式，形成巨大的合成孔徑，實(shí)現(xiàn)高分辨率環(huán)境重構(gòu)。（2）通感一體新場景近幾年，3GPP、ITU等標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)有無、感知目標(biāo)位置和速度為基本檢測特征，包括無人機(jī)、車輛、船只、行人及動物等檢測跟蹤。二是動作監(jiān)測，包括人體呼吸監(jiān)測、運(yùn)動監(jiān)測09 （c）無人機(jī)飛行軌跡跟蹤 （d）無人機(jī)防碰撞圖8感知UAV四類典型用例 （c）無人機(jī)飛行軌跡跟蹤 （d）無人機(jī)防碰撞圖8感知UAV四類典型用例 10典型場景A：低空經(jīng)濟(jì)——無人機(jī)（UAV）檢測面向低空經(jīng)濟(jì)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(jī)進(jìn)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(jī)入侵檢測，支撐機(jī)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(jī)路徑管理，綜合感知無人機(jī)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(dāng)無人機(jī)接近障礙物（例如樓宇、山體），引導(dǎo)無人機(jī)調(diào)整飛行路線，避免碰撞；同一區(qū)域存在多個無人機(jī)時，根據(jù)各無人機(jī)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(jī)間將發(fā)生沖突，則給出沖突告警，此類技術(shù)廣泛應(yīng)用于無人機(jī)物流快遞、電力巡檢、農(nóng)業(yè)植保、設(shè)備檢測、森林火災(zāi)監(jiān)測等。（a）無人機(jī)非法入侵檢測 （b）無人機(jī)航線保護(hù)典型場景B：智能交通——車輛和行人檢測在智能交通場景中，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?yán)走_(dá)或攝像頭識別具有感知范圍受限、感知盲區(qū)大、感知實(shí)時誤判大等缺點(diǎn)。利用移動通信網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋、組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對車輛或行人進(jìn)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供輔助信息，包括車輛信息統(tǒng)計、行人穿高速公路檢測等。（a）車輛信息統(tǒng)計

圖9

（b）行人檢測防事故發(fā)生。防事故發(fā)生。圖1011 典型場景C：設(shè)施微形變監(jiān)測79[15]量子傳感（1）量子傳感新技術(shù)量子傳感是與量子通信、量子計算并列的三大量子力學(xué)技術(shù)之一，其利用量子力學(xué)原理中微觀粒子相干性、糾纏性、量子疊加等特性，實(shí)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(jìn)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(xué)成像、地質(zhì)勘探及基礎(chǔ)科學(xué)研究等[17][18]。當(dāng)前，量子傳感已是量子技術(shù)中發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛的方向之一。圖11分立性(分立能級)、相干性(量子疊加態(tài)、糾纏態(tài))、隨機(jī)性(量子噪聲）[19]近年來，量子傳感技術(shù)在時間基準(zhǔn)、磁場感應(yīng)和重力探測等多個領(lǐng)域取得了具體且明確的技術(shù)突破：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(tuán)隊(duì)通過利用原子之間的光頻共振，改進(jìn)了光頻梳和激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光頻原子鐘的頻率不確定性接近10-18—10-20HZ[20]，這一精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的微波原子鐘，使其在導(dǎo)航、深空探測和基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。例 12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(yàn)廣義相對論和引力紅移現(xiàn)象時，這種高精度的計時基準(zhǔn)為科學(xué)家提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。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(yán)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(fēng)險，保障設(shè)施安全，預(yù)防事故發(fā)生。二是原子磁力儀的技術(shù)進(jìn)展。原子磁力儀在近年來的技術(shù)改進(jìn)使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍顯著擴(kuò)大，基于冷原子和金剛石NV色心的傳感器能夠在常溫下進(jìn)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(xué)和心血管疾病的檢測中應(yīng)用廣泛，特別是對微弱生物磁場信號的實(shí)時監(jiān)測成為可能。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(tuán)隊(duì)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(yùn)行更長時間，并提供更加精確的重力變化數(shù)13 圖13[24] 圖13[24] 14失去量子效應(yīng)是技術(shù)進(jìn)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（2）量子傳感新場景量子傳感技術(shù)近年來的進(jìn)步為多個實(shí)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(xué)等多個領(lǐng)域，在提升數(shù)據(jù)精度、延長傳感器運(yùn)行時間以及降低操作復(fù)雜性等方面已經(jīng)展示了獨(dú)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(xué)成像，提供了更高精度的生物磁信號檢測。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(jī)，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(yùn)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(yuǎn)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、軍事作戰(zhàn)、海洋探索等提供了重要技術(shù)保障。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(diǎn)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(yuǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)中逐步嶄露頭角[28]。典型場景C：醫(yī)學(xué)診斷在生物醫(yī)學(xué)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革命性進(jìn)展?；贜V色心的量子磁力儀能夠在常溫下實(shí)現(xiàn)對心臟和大腦磁場的精確測量，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(dá)15 16單個分子級別[29]。與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)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 16先進(jìn)感知新材料柔性傳感觸覺傳感先進(jìn)感知新材料柔性傳感觸覺傳感圖14圖14近年來，柔性傳感技術(shù)取得多項(xiàng)重要進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是新型材料與結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新[33][34][35]、 17先進(jìn)感知新材料柔性傳感（1）柔性傳感新技術(shù)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(jī)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)支持。更為復(fù)雜的工作環(huán)境。微納加工技術(shù)的發(fā)展使得傳感器的尺寸和精度得柔性傳感器正向多功能集成方向發(fā)展，能夠同時柔性傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了柔性傳感器在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐用性得到軍事應(yīng)用等領(lǐng)域具有重要意義。柔性傳感技術(shù)面臨的難點(diǎn)主要包括提高傳感器的穩(wěn)定性、可靠性和耐久性，（2）柔性傳感新場景柔性傳感技術(shù)通過提供靈活、舒適的感知交互方式，增強(qiáng)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(shí)時監(jiān)測生理參數(shù)，提高疾病預(yù)防和治療效率。在消費(fèi)電子市場，柔性傳感器使設(shè)備更貼合用戶，提升用戶體驗(yàn)。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，柔性傳感器實(shí)現(xiàn)檢測污染物檢測，保護(hù)生態(tài)平衡。18 圖15圖15 19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(shí)時跟蹤患者的生理參數(shù)，如心率、血壓和血糖水平，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的健康監(jiān)測，有效提高診斷準(zhǔn)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(shí)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(qiáng)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(diǎn)，在不影響人體運(yùn)動狀態(tài)下長時間采集心電數(shù)據(jù)，并實(shí)時傳輸至監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行分析處理，大大提高了監(jiān)測的便捷性和準(zhǔn)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(xì)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(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有重要的臨床價值和廣泛的應(yīng)用前景。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(yàn)。通過集[37]柔性傳感器的輕量化和定制化特點(diǎn)也使得智能穿戴設(shè)備設(shè)計更加多樣化，能夠圖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 圖17[38] 21圖17[38] 21觸覺傳感（1）觸覺傳感新技術(shù)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(jī)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(jī)器人能夠理解和響應(yīng)實(shí)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(xì)的感知能力。觸覺傳感技術(shù)有效提高機(jī)器人的靈巧性，提升機(jī)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)裝配、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。觸覺傳感技術(shù)近年來主要進(jìn)展包括以下幾個方面：（MEMS器結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更加精細(xì)和復(fù)雜。目前觸覺傳感技術(shù)面臨的難點(diǎn)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(xì)化和多功能化，以實(shí)（2）觸覺傳感新場景觸覺傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)、服務(wù)機(jī)器人、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域中，觸覺傳感器輔助進(jìn)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(jī)器人通過觸覺反饋，提供更加人性化的交互體驗(yàn)。在消費(fèi)電子中，觸覺傳感技術(shù)增強(qiáng)了設(shè)備的用戶體驗(yàn)，如觸覺反饋游戲控制器。典型場景A：醫(yī)療領(lǐng)域——臨床手術(shù)輔助觸覺傳感技術(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 圖18[39]圖18[39] 23已經(jīng)成功開發(fā)了一種與手術(shù)期間的磁共振系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兼容的觸覺傳提供類似于直接接觸人體組織的感知能力，增強(qiáng)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(hù)人員可能暴露于放射線和整形外科危害的問典型場景B：機(jī)器人——機(jī)器人靈巧手觸覺傳感技術(shù)在機(jī)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24 24 覺反饋技術(shù)被集成到智能手機(jī)和游戲控制器中，增強(qiáng)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(jìn)一步推動消費(fèi)電子市場的創(chuàng)新和發(fā)展。圖19觸覺傳感在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用[40]先進(jìn)感知新工藝激光直寫共形制造工藝智能微系統(tǒng)先進(jìn)感知新工藝激光直寫共形制造工藝智能微系統(tǒng)先進(jìn)感知新工藝激光直寫共形制造工藝（1）激光直寫共形制造新技術(shù)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(yàn)證周期長等缺點(diǎn)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(fèi)比、更強(qiáng)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(xué)反應(yīng)原理實(shí)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)用可穿戴傳感、低成本結(jié)構(gòu)監(jiān)測方面具有廣闊應(yīng)用前景。近年來，激光直寫共形制造技術(shù)取得新進(jìn)展涉及微機(jī)電、微能源、信息處理表面等領(lǐng)域。在3D打印領(lǐng)域，NanoDimension公司通過光（熱）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(dá)35微米，其陣列化與集成化思想彌補(bǔ)了單頭直寫效率不足的缺點(diǎn)，采用多層加工和柔性板技術(shù)彌補(bǔ)了共形加工能力缺失的不足。圖20NanoDimension展示的平面換能器、三維集成電路、WiFi熱點(diǎn)25 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(dá)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(dá)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、航天工業(yè)等。 26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(kuò)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)件表面制備溫度傳感器，采用等離子熱噴涂技術(shù)，將材料加熱至熔點(diǎn)并將其在高壓氣 圖23熱噴涂直寫技術(shù)在曲面高溫合金表面沉積陶瓷后制備導(dǎo)線

圖24熱噴涂直寫制備的共形熱電偶、熱電堆、應(yīng)變柵傳感器圖25直寫耐高溫共形熱流傳感器（a/b）與應(yīng)變傳感器（c/d）圖25直寫耐高溫共形熱流傳感器（a/b）與應(yīng)變傳感器（c/d）27 （2）激光直寫共形制造新場景典型場景A：航空航天領(lǐng)域航空航天領(lǐng)域應(yīng)用了大量的曲面耐高溫部件，例如整流罩、頭錐、飛行翼、控[41][42]900℃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(jī)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(jī)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(xué)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(shí)現(xiàn)多維信息傳感的能力，為實(shí)現(xiàn)觸覺/嗅覺等仿生傳感能力提供一種便捷的大面積制備技術(shù)。智能微系統(tǒng)（1）智能微系統(tǒng)新技術(shù)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(jìn)，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(jìn)封裝與加工工藝，將傳感器、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)的功能密度與效能[45]。智能微系統(tǒng)具備

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(diǎn)，在航空航天、工業(yè)制造、醫(yī)療健康、智慧城市等諸多應(yīng)用領(lǐng)域均展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用價值。 28近年來，智能微系統(tǒng)技術(shù)已取得了顯著的進(jìn)展和突破。//（SiP（WLPSV（die低了終端的成本和體積。二是傳感融合技術(shù)方面，MEMS得廣泛應(yīng)用。MCU（nW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(jī)[46]。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(shí)現(xiàn)信息通NB-IoTZigbeeLoRaRFIDRFID通過反向散射機(jī)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(jī)將逐漸被高集成度的異質(zhì)異構(gòu)集成微系統(tǒng)所取代，智能技術(shù)的突破將極大地拓寬智能傳感器的應(yīng)用場景。29 圖28圖28 30當(dāng)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)療健康、航空航天等多個關(guān)鍵領(lǐng)域，智能微系統(tǒng)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用價值。典型場景A：醫(yī)療健康領(lǐng)域——智能藥丸智能藥丸是一種利用了智能微系統(tǒng)技術(shù)、能夠進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行藥物傳輸、生理監(jiān)測或醫(yī)學(xué)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(shí)時變化（如pH值、溫度、壓力等）來觸發(fā)藥物的釋放，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)的精準(zhǔn)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(yùn)動而在體內(nèi)進(jìn)行實(shí)時成像和傳輸，有助于醫(yī)生對消化道疾病進(jìn)行更準(zhǔn)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(xué)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)測胃腸道健康狀況。典型場景B：航空航天領(lǐng)域——微納衛(wèi)星微納衛(wèi)星通常是指質(zhì)量在1kg~100kg以內(nèi)，具有實(shí)際使用功能的衛(wèi)星。微納衛(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(diǎn)。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(jī)動性好、生存能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在地質(zhì)勘探、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、交通運(yùn)輸、氣象服務(wù)、新技術(shù)試驗(yàn)、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技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)踐，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(yùn)行了國內(nèi)第一顆納型衛(wèi)星NS-1衛(wèi)星，也是當(dāng)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(yàn)衛(wèi)星，成功開展了基于MEMS的空間微型化器組件試驗(yàn)研究。目前，如MEMS磁敏感器、MIMU慣性微系統(tǒng)、MEMS太陽敏感器、納/皮型星敏感器等空間智能微系統(tǒng)，已用于微納衛(wèi)星的姿態(tài)控制和軌道測量，取得了良好的應(yīng)用效果。圖29微納衛(wèi)星應(yīng)用31 先進(jìn)感知新算法腦電傳感算法光纖傳感算法先進(jìn)感知新算法腦電傳感算法（1）腦電傳感算法新技術(shù)隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Υ竽X工作機(jī)制的深入研究，以及人們對腦機(jī)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(jìn)行特征提取和模式識別，實(shí)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)變化，在醫(yī)療、娛樂和教育等場景具有廣泛而深遠(yuǎn)的應(yīng)用價值。圖30腦電傳感算法基本原理近年來，腦電傳感算法取得了顯著進(jìn)展。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(zhǔn)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）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GCN）等前沿AI模型被融入腦電傳感算法之中，AI模型對腦電特征進(jìn)行自動學(xué)習(xí)與深度挖掘，極大提升數(shù)據(jù)分析的度與效率。二是算法實(shí)時性不斷增強(qiáng)。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(jìn)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(shí)時處理反饋，促進(jìn)了腦電傳感技術(shù)在緊急醫(yī)療監(jiān)測、運(yùn)動控制等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。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)雜性，單一模態(tài)生理數(shù)據(jù)所能揭示的信息相對有限。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、面部表情、語音信號等，綜合分析大腦活動狀態(tài)。盡管腦電傳感算法取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨一些難點(diǎn)。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(dú)一無二的，這種獨(dú)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(qiáng)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(jìn)行更加精準(zhǔn)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(hù)也將得到更加堅(jiān)實(shí)的保障。（2）腦電傳感算法新場景腦電傳感算法在醫(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(shí)現(xiàn)腦控游戲角色，提供沉浸式體驗(yàn)；教育場景中，腦電傳感算法實(shí)時監(jiān)測學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)個性化教學(xué)。這些新場景的應(yīng)用不僅提高了工作 33效率和用戶體驗(yàn)，還推動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。典型場景A：醫(yī)療領(lǐng)域——神經(jīng)疾病診斷與康復(fù)治療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。隨著腦電傳感算法精度及實(shí)時性的提升，腦部疾病的診斷和

圖31高位截癱患者用“意念”吃油條治療更加精準(zhǔn)和可靠。例如，在癲癇的治療中，腦電傳感算法可以精準(zhǔn)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(fēng)險。此外，腦電傳感算法還應(yīng)用于腦機(jī)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(jī)械臂、輪椅甚至電腦光標(biāo)等，幫助癱瘓患者重新獲得運(yùn)動能力[48]，不僅極大地改善了癱瘓患者的生活質(zhì)量，也為神經(jīng)科學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究開辟了新的方向。典型場景B：娛樂領(lǐng)域——腦控游戲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(shí)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)造個性化的游戲體驗(yàn)。腦電傳感算法精度及實(shí)時性的顯著提升，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(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用中，腦電傳感算法實(shí)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(yàn)，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(jìn)了娛樂產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和升級。34 典型場景C：教育領(lǐng)域——教學(xué)效果評估腦電傳感算法監(jiān)測學(xué)生大腦活動，評估學(xué)生的專注度和疲勞程度，幫助教師判斷學(xué)生能否跟上教學(xué)節(jié)奏，是否需要調(diào)整教學(xué)策略[49]。得益于腦電傳感算法精度及實(shí)時性的提升，教師能夠在課堂上實(shí)時獲圖33

得學(xué)生狀態(tài)反饋，從而有效增強(qiáng)課堂教學(xué)的效率與質(zhì)量。此外，通過腦電傳感算法對腦電信號的準(zhǔn)確分析，能夠識別學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙，如閱讀障礙、數(shù)學(xué)焦慮等，為教師提供有針對性的干預(yù)建議。腦電傳感算法在教育場景的應(yīng)用，為學(xué)生提供了更加符合其學(xué)習(xí)特點(diǎn)的教育資源，促進(jìn)了教育的智能化和個性化發(fā)展。光纖傳感算法（1）光纖傳感新技術(shù)圖34

光纖傳感技術(shù)是利用光纖作為傳感介質(zhì)，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(yuǎn)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的實(shí)現(xiàn)高精度定位監(jiān)測以處理復(fù)雜的應(yīng)用場[50]。 35近年來，光纖傳感技術(shù)取得了顯著的發(fā)展和進(jìn)步，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：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發(fā)，光纖傳感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到了極大擴(kuò)展。二是傳感網(wǎng)絡(luò)的智能化。通過集成先進(jìn)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(zhǔn)確性和實(shí)時性。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(shí)現(xiàn)長達(dá)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、高速公路等大型基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測需求。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)測提供了更為全面的解決方案。五是抗干擾性能的增強(qiáng)。新型光纖傳感器在設(shè)計上更加注重抗電磁干擾能力，使得光纖傳感系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁環(huán)境中依然能夠穩(wěn)定工作。雖已取得顯著進(jìn)展，但光纖傳感技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。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(jìn)的信號處理算法來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)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(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的監(jiān)測和分析。同時，隨著新材料和制造技術(shù)的進(jìn)步，光纖傳感器的性能將得到進(jìn)一步提升，成本也將降低。（2）光纖傳感新場景36 圖35圖35 37典型場景A：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(dāng)車輛、行人等目標(biāo)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(qiáng)度，建立起目標(biāo)與時間的分布式信息。該技術(shù)能有效利用現(xiàn)有的道路側(cè)通信光纖，避免了額外的安裝和維護(hù)成本，從而實(shí)現(xiàn)了成本的顯著降低。同時，與智能分析算法結(jié)合，預(yù)測交通趨勢，優(yōu)化交通流量分配，減少擁堵，提高道路使用效率，預(yù)防和減少由路面損壞或結(jié)構(gòu)損傷引發(fā)的交通事故。在極端天氣條件下，光纖傳感器的抗干擾能力保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)一步提升了交通安全。同時，這些數(shù)據(jù)也可以為城市規(guī)劃和交通政策制定提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)城市交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。典型場景B：智慧管線管理光纖傳感技術(shù)通過分布式溫度傳感（DTS）和分布式聲音傳感（DAS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對長距離海底電纜埋深狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，連續(xù)在線測量整根電纜發(fā)出的聲音和應(yīng)力變化，以及外部的擾動，為故障檢測和預(yù)防提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，極大地提高了管線的運(yùn)行安全性和管理效率。其高靈敏度和高分辨率的特性，使得對環(huán)境變化的探測更為精確，能夠快速響應(yīng)微小的環(huán)境波動。此外，光纖傳感器的抗電磁干擾能力強(qiáng)，耐腐蝕，可以在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作，適用于多種環(huán)境監(jiān)測場景。圖36光纖傳感技術(shù)在智慧管線領(lǐng)域的應(yīng)用典型場景C：環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域在災(zāi)害預(yù)警、污染源追蹤、生態(tài)保護(hù)等方面，光纖傳感技術(shù)展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。在監(jiān)測水質(zhì)變化過程時，水中溶解物質(zhì)的增加會導(dǎo)致水的折射率發(fā)生變化，通過光纖傳感技術(shù)能夠檢測到這些折射率的變化，因?yàn)楣庠诠饫w中的傳播速度和路徑會受到周圍介質(zhì)折射率的影響，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)污染并采取措施，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，利用分布式光纖傳感技術(shù)（如分布式溫度傳感（DTS）和分布式聲波傳感（DAS）），可以監(jiān)測地殼的微小變動和應(yīng)力變化，從而提供地震預(yù)警。通過分析光纖傳感器檢測到的地面振動和溫度變化，可以識別地震活動的前兆，提前發(fā)出預(yù)警。38 總結(jié)及展望總結(jié)及展望“萬物智聯(lián)，感知為先”，隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，感知作為底層數(shù)據(jù)來源及核心技術(shù)支撐，近年來實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，通過對機(jī)理、材料、工藝和算法等四個方面的技術(shù)創(chuàng)新，感知設(shè)備將實(shí)現(xiàn)更大范圍和更高精度的信息采集。在感知新機(jī)理方面，無源感知、通感一體和量子傳感基于感知機(jī)制創(chuàng)新，在城市基礎(chǔ)設(shè)施管理、低空經(jīng)濟(jì)、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。在感知新材料方面，柔性傳感和觸覺傳感以新型柔性材料作為傳感器敏感材料，持續(xù)賦能機(jī)器人靈巧手等新業(yè)務(wù)場景。在感知新工藝方面，激光直寫共形制造技術(shù)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；智能微系統(tǒng)以MEMS工藝為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)傳感器件小型化、集成化、低功耗和低成本。在感知新算法方面，光纖傳感和腦電傳感基于算法創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)感知能力拓展和性能提升。未來，先進(jìn)感知技術(shù)將向著“感-通-算-智”一體融合的方向持續(xù)發(fā)展，呈現(xiàn)出微型化、集成化、無線化、智能化演進(jìn)趨勢，滿足生活、生產(chǎn)和社會領(lǐng)域?qū)Ω兄芰Φ纳疃刃枨?。微型化使得同體積下傳感設(shè)備可以容納更多器件和能力，釋放更多空間，能夠部署在更復(fù)雜和微小的環(huán)境中。集成化支撐感知設(shè)備能力集成升級，便于獲取多元化感知數(shù)據(jù)，并從單一功能形態(tài)向具備傳感、通信、計算、存儲、執(zhí)行等多元化功能的智能終端發(fā)展。無線化有利于感知設(shè)備的柔性、快速部署，增強(qiáng)設(shè)備移動性并減少線纜占用空間。智能化賦予感知設(shè)備端側(cè)自校準(zhǔn)、自喚醒、數(shù)據(jù)處理等智慧能力，實(shí)現(xiàn)端側(cè)智能，提升感知的精度、效率和穩(wěn)定性。白皮書面向先進(jìn)感知前沿技術(shù)發(fā)展趨勢，圍繞傳感前沿技術(shù)的新機(jī)理、新材料、新工藝和新算法，選取代表性技術(shù)，解讀技術(shù)發(fā)展趨勢，分析近年來重要進(jìn)展，梳理典型應(yīng)用場景。隨著萬物智聯(lián)時代的逐步到來，感知作為底層數(shù)據(jù)來源及核心技術(shù)支撐，有望迎來爆發(fā)式技術(shù)突破及市場增長，相關(guān)產(chǎn)業(yè)值得持續(xù)關(guān)注。 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縮略語列表編號縮略語英文全名中文解釋16GThesixthgenerationmobilecommunicationsystems第六代移動通信系統(tǒng)23GPPThirdGenerationPartnershipProject第三代合作伙伴計劃3ITUInternationalTelecommunicationUnion國際電信聯(lián)盟4UAVUnmannedAerialVehicleDrones無人機(jī)5HRVHeartRateVariability心率變異性6MEMSMicro-Electro-MechanicalSystem微電子機(jī)械系統(tǒng)7FBGFiberBraggGrating布拉格光柵8CSPCommonSpatialPattern共空間模式9SIPSystemInPackage系統(tǒng)級封裝10WLPWaferLevelPackage晶圓級封裝11TSVThroughSiliconVia硅穿孔12MEMSMicro-Electro-MechanicalSystem微機(jī)電系統(tǒng)13RNNRecurrentNeuralNetwork循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)14CNNConvolutionalNeuralNetwork卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)15GCNGraphConvolutionalNetwork圖卷積網(wǎng)絡(luò)16EEGNetACompactConvolutionalNetworkforEEG-basedBrain-ComputerInterfaces基于腦電圖的腦機(jī)接口緊湊型卷積網(wǎng)絡(luò)17LPEEGNetLow-PowerEEGNet基于腦電圖的腦機(jī)接口緊湊型卷積網(wǎng)絡(luò)低功耗處理器18FPGAFieldProgrammableGateArray現(xiàn)場可編程門陣列19AIArti?cialIntelligence人工智能20BCIBrainComputerInterface腦機(jī)接口21VRVirtualReality虛擬現(xiàn)實(shí)22ARAugmentedReality增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)23LPFGLong-PeriodFiberGrating長周期光纖光柵參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)Zhang,P.,Wang,W.,&Zhang,K.(2021).“PassiveWirelessSensing:FromRFIDtoEmergingApplications.”IEEECommunicationsSurveys&ZhangB,LiM,XieX,etal.Rc6d:Anr?dandcvfusionsystemforreal-time6dobjectposeestimation[C]//IEEEINFOCOM2022-IEEEConferenceonComputerCommunications.IEEE,2022:690-699.ZhangB,LiM,XieX,etal.Rc6d:Anr?dandcvfusionsystemforreal-time6dobjectposeestimation[C]//IEEEINFOCOM2022-IEEEConferenceonComputerCommunications.IEEE,2022:690-699.ChenY,J,ChenY,etal.RFSpy:EavesdroppingonOnlineConver-sationswithOut-of-VocabularyWordsbySensingMetalCoiltionofHeadsetsLeveragingRFID[C]//ProceedingsoftheAnnualInternationalConferenceonMobileSystems,andServices.2024:169-182.ZhaoC,LiZ,DingH,etal.Rf-wise:Pushingthelimitofr?d-basedsensing[C]//IEEEINFOCOM2022-IEEEConferenceonComputerCommunications.IEEE,2022:1779-1788.

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