1.传感器，生命伸向外界的触角

谈起传感器，大家其实并不陌生。大大小小、各式各样的传感器遍布在生活的各个角落：当你早上醒来打开床头的台灯、上班下班乘电梯时铵的电梯按钮、出电梯门后走廊上的声控灯亮了、坐在桌子前劈里啪啦敲击着电脑键盘、这时用电热水壶烧的开水咕噜咕噜冒着热气自动断开了……传感器，无时无刻在日常生活中大显其神通。传感器那么多，那究竟什么是传感器呢？传感器又可以分为哪些种类呢？

传感器，是一种从被检测的参量中提取出有用信息的器件，这种有用的信息往往指的是电量，也可以是气、光等，有时还将它转换成易于传递和处理的电信号。传感器是由敏感元件本身或者和部分测量电路构成，而敏感原件，就是用来直接感受被测量量的元件。有些传感器非常简单，仅由一个敏感元件组成；而有些传感器非常复杂，转换元件有许多个，因此要经过若干次转换。根据输入的物理量不同，可以分为压力传感器、温度传感器、气敏传感器、位移传感器、速度传感器等。像声控灯使用的是声控传感器、电热水壶使用的是温度传感器，我们乘坐的电梯可能用到压力传感器、位移传感器、光幕传感器，平层传感器，速度编码器等。根据工作原理又可以分为电阻式、电感式、电容式传感器等，像位移传感器就是通过移动电位器触电改变电阻，也叫做电位器传感器。图1是几种传感器的工作原理图。

图1 部分传感器原理图

图片来源：http://www.elecfans.com/d/796882.html

传感器让物体有了感官，也是人类五官的延伸，成为人类的第二感觉“器官”。在我们基础学科研究中，传感器具有突出地位，发展高准确度、高灵敏度、快速、便携的传感器，是科学家们研究的目标。美国在20世纪80年代认为世界已经进入传感器时代；日本把开发和利用传感器技术作为国家重点发展六大核心技术之一；我国也是传感器生产大国，传感器产业已被国内外公众认为是具有发展前景的高技术产业。第一代传感器是结构型传感器，利用结构参量变化来感受和转化信号；第二代传感器是固体传感器，利用某些材料比如半导体、电介质、磁性材料等固体元件的某些特性来制成各种各样的传感器；第三代传感器是80年代刚刚兴起的智能传感器，通过与微机电系统、仿生信息学相结合，并朝着智能化、微型化、集成化、网络化、多功能化方向不断前进。

传感器包括物理类传感器、化学类传感器和生物类传感器，而生物作为和化学密不可分的一部分，科学家们往往将化学和生物类传感器合二为一，即化学和生物传感器。

2.化学和生物传感器，学科交叉下的新领域

化学和生物传感，涉及材料、信息科学、医学、电子、计算等多个学科，应用领域包括环境监测、信息传递、医疗卫生、国家安全等。虽然发展时间较短，但是发展迅速。化学与生物传感器根据不同的传感器分为不同种类，比如按分子识别元件分分为酶传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、核酸传感器、微生物传感器、分子印记生物传感器等。而我们生命本身，就是由许多天然的化学和生物传感器构成的，许多传感器的设计也是基于对生命认识的本身。

其中化学和生物传感器一个重要的应用就是用于定性或定量分析，又称为化学与生物传感分析。在化学与生物传感分析中，光学探针或生物敏感膜是传感分析的关键元件，直接决定传感器的功能和质量。这种分析方法操作简单、准确、快速，易于联机，并且在多数情况下可对分析物的动态变化进行实时跟踪。化学与生物传感分析的发展阶段如表1所示。

表1 化学与生物传感分析发展阶段

在化学和生物传感器研究中，仿生传感新技术也是传感器中比较有趣的研究技术。中科院烟台海岸带研究所的研究团队受贻贝水下黏附机理的启发，同时考虑到贻贝粘蛋白具有的优越的粘滞性和良好的生物相容性，通过利用海洋新型仿生材料，成功构建了基于这种高分子材料的表面分子印迹聚合物电位型传感器，实现了多种生物分子的高灵敏、高选择、快速的电化学检测。

图2 基于海洋贻贝粘蛋白的仿生电位型传感器检测原理图

图片来源：http://www.yic.ac.cn/kxpj/kpwz/201901/t20190117_5231240.html

化学和生物传感器曾经在诺贝尔奖的舞台上大放异彩；如今，研究化学和生物传感器的科学家们一直在孜孜不倦的继续前进着，那大家有没有想过未来传感器会是什么样子的？化学和生物传感器又会走向何处？

3.人工智能，开创未来传感器新时代

人工智能，又称AI技术，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的科学技术，是计算机科学的一个分支，被称为“人类智慧的容器”。人工智能的发展为数学、经济、生物、化学、教育等多学科领域提供新的机遇和发展。当传统的传感器与人工智能相碰撞，碰撞出来的火花必将对未来产生前所未有的改变。AI+人工智能就是我们所说的智能传感。

智能传感，将各式各样传感器，尤其是化学和生物传感器与AI技术相结合，在现在许多科学家们将目光投向了该领域，在未来将是重要的研究方向之一，包括柔性电子和植入式材料与器件、多维度感知和人-机-自然交互、具有多种功能的可穿戴可植入智能化传感技术等。在5G通信时代，当传统的传感器与大数据和人工智能技术结合后，未来将会有许多翻天覆地的改变。比如可穿戴电子设备，其核心部件就是柔性可穿戴电子传感器，在国内外已经成为人们关注的热点，像哈佛大学的研究人员开发了一种佩戴在手部，测量抓握力量以及手部和手指运动的可穿戴传感器，并将研究发表在《先进功能材料(Advanced Functional Materials)》期刊上，据研究表面，该传感器具有良好的生物相容性、高导电性、无毒性，为量化复杂人体运动提供新的诊断工具。除了医疗诊断，人机交互、虚拟现实等都将会有所应用。

想要研究高准确度、高灵敏度、快速、便携的智能传感器，材料依然是科学家们需要研究的方向，材料科学的发展对传感器的发展具有举足轻重的作用。像柔性传感器材料在实际应用过程中面临环境温度的制约，需要提高柔性应变传感器材料在低温应用环境中的快速自愈合能力。

图3 柔性传感器制作的屏幕概念图

图片来源：http://www.licp.cas.cn/sy2018/xwdt/cmsj/202006/t20200630_5613260.html

科学研究的发展都将踏在巨人的肩膀上不断攀升，顺应时代浪潮不断前进。从人类认识自我再到认识自然、探索未知、创造世界，传感器作为人类的第二感觉“器官”发挥着重要的作用。相信未来，在各种学科融合与发展下，传感器将带领人类去探索新的世界，寻找新的奥秘，创造新的财富。

参考文献

[1]https://www.sohu.com/a/283964179_427506

[2]http://www.sztalent.org/content/2019-09/24/content_22494780.htm

[3]http://www.licp.cas.cn/sy2018/xwdt/cmsj/202006/t20200630_5613260.html

[4]http://www.yic.ac.cn/kxpj/kpwz/201901/t20190117_5231240.html

[5]常健生.检测与转换技术[M].吉林工业大学出版社(第二版)

[6]卢义钦.生物传感器的现况与应用[J].生命的化学.2016(01)

[7]高志勇.生物传感器研究进展[J].华西医学.2008(06)