褚君浩

红外测温眼镜、与运动员切磋的发球机器人……当褚君浩院士一一展示这些先进技术成果时，观众席上总是传来阵阵惊呼。日前，庆祝复旦大学建校118周年系列学术报告会上，中国科学院院士、复旦大学光电研究院院长、材料科学系教授褚君浩以“智能时代与科学精神培养”为题进行分享，他分析了智能时代大趋势和技术态势，结合新材料与红外技术新发展，讨论物理大数据的获取与认知等核心技术及其在空天技术上的应用。这些技术其实距离我们的生活并不遥远。有一次，褚君浩想吃个苹果当早餐，一切开才发现里面的果肉烂掉了，而利用短波红外2-4微米成像，就能透过果皮观察到苹果里面的状况，这就是实时感知的现实运用。褚君浩说，“吃个苹果也要红外成像，我当时想，别人肯定会说我这个老先生是书呆子。”但他相信，这些技术早晚会“飞入寻常百姓家”。褚君浩是中国自主培养的首位红外物理博士，风云四号卫星、嫦娥三号月球车光谱仪、祝融号火星车的幕后英雄。他被称为“心系科普的院士”，这些年，他到许多中小学、偏远地区做过讲座，把科研智慧、科学精神带到中国的各个角落。 褚君浩院士。复旦大学供图引力波、电磁波......在我们身边存在着看不见的“波”，频率、位相、偏振、波长，利用不同波段探测器，可以看到不同信息，通过高分辨、高灵敏、全波段、高功能、智能化的传感器转化为大数据，依托超大规模碲镉汞红外焦平面器件，实现高分辨率凝视成像。给大气做CT、探测爆炸物、利用非接触式光谱方法识别肿瘤是否恶性，褚君浩做了个有趣的比喻，“这就好像是火眼金睛的孙悟空，有三只眼的二郎神，一看就知道是什么、想什么、要做什么。”“未来也许或有这样一种眼镜，我戴上之后，就可以清晰地观察到在座诸位的衣服是什么材质，是棉花还是羊毛。”褚君浩介绍，目前智慧分析技术已经做出许多贡献——遥远的天外，“玉兔号”月球车上的红外成像光谱仪对星球表面进行探测；为桥梁做“健康检测”，通过声发射波形和频谱判断桥梁是否存在内部损伤，帮助人们防灾避险。能否实现极致、新需求驱动下实现创新？基础研究结果能否实现应用？褚君浩认为，这是新需求下探测技术的三大发展趋势。为什么是这样、为什么不是那样、为什么这么做、为什么不能那样做、能够做得更好吗？褚君浩对着台下几百位青年学子说：“科学精神其实就是求实精神、创新精神、怀疑精神和宽容精神，我们不论是做人、做事还是做学问都需要这样一种精神”。他说，科技创新兼具灵感的瞬间性、方式的随意性、路径的不确定性，因此更要求在思考中，自由畅想、大胆假设、小心求证。

中国赫然成为光伏电池生产大国。不过与此不相匹配的是，中国却是应用小国。全国人大代表、中科院院士褚君浩表示，光伏电池产业未来的发展，第一代至第三代光伏电池都有发展空间，当前须加强研发核心设备。 　　生产“大”应用“小” 　　我国光伏电池产业大约在2000年开始起步。褚君浩介绍，2007年，我国电池产量达到1.088GW，占全球总量的29%，居世界首位。2008年则超过了2.6GW，2009年更是超过了4.0GW，占世界总产量的40%，2010年则达到65%。 　　不过与生产大国不相匹配的是，中国光伏应用市场依然很小。由于我国光伏电力的成本比化石发电高很多倍，光伏电站的建设不多，而且储能技术和智能化并网等配套建设也准备不够。尽管政府先后实施了一系列国家计划，但仅局限于工程示范，并没有大规模推广。 　　2009年，国家发改委开始部署“金太阳示范工程”，我国国内光伏应用产业才有了比较大的增长。2010年我国光伏发电的装机总量约380MW，占全球总量的3%。2011年由于上网电价政策的出台，装机3GW，占全球12%，但和电池组件产量相比还是很小。 　　电池效率须提高 　　褚君浩说，各类电池的效率在不断提高，而大面积产业化的效率仍低于实验室效率。 　　光伏电池从技术上可以分三类，褚君浩说，第一代硅基光伏电池约占据光伏电池总量的90%，目前正在着力突破20%的效率。此外，要进一步降低硅材料的成本。 　　第二代薄膜光伏电池，在实现产业化中还面临较多技术问题。不同的工艺路线、设备问题以及材料器件物理问题都需要研究和发展。褚君浩表示，目前对硅基薄膜电池的研究非常热。 　　第三代电池是新材料、新概念、新结构、新工艺的新型光伏电池。例如，燃料敏化电池方面，当前正在制备更加稳定的电池。另一类是宽光谱光伏电池，目前正在寻找各种对不同颜色的太阳光敏感的材料，通过不同组合的材料，做成多结电池。 　　核心设备落后国外 　　褚君浩强调，在技术方面，我国在P-N结、红外探测器等方面都很强。目前，需要加强研究核心设备，我国大部分生产设备是进口的。 　　“不过，主要进展都集中在研究机构和大学，企业投入的力度还不够。”褚君浩说。 　　他说，光伏产业要健康发展，就需要在科研、技术、资金投入、市场推广等方面扎实努力。晶硅光伏电池方面，企业要继续研发，薄膜光伏电池政府要投入，新型光伏电池要抓紧布局。 　　褚君浩预期，在未来发展中，第二代薄膜电池会逐渐扩大比例，晶硅光伏电池会从90%的比例逐步下降70%左右。不过光伏电池的应用是多种并存的，第一代至第三代电池是互存的局面，每一代光伏电池都有发展空间。

褚君浩，中国科学院院士，红外物理学家、半导体物理和器件专家，中国科学院上海技术物理研究所研究员，东华大学理学院院长。他是我国培养的第一个红外物理博士，从20世纪70年代末开始，他就专注于红外探测器的研究，并与汤定元、徐世秋两位科学家研究了一种全新的半导体材料，创造性地提出了测算这种材料特性的公式，该公式最终以三位中国科学家的名字命名，被称为CXT公式，成为判断红外探测器新材料、新结构的参照标准。他的专著《窄禁带半导体物理学》，被国外20多个研究机构作为相关材料和器件研究的理论依据。　　智能时代，传感器无处不在。传感器与计算机、通信被称为信息系统的三大支柱，成为衡量一个国家科技水平以及是否处在国际战略竞争制高点的一个重要标志。各种机器设备中的传感器就相当于人类的五官和神经系统，它们让机器能听、能闻、能看，从而更好地感知、学习和进化，为我们提供高精度、智能化的服务。传感器家族有哪些成员？它们能为我们提供怎样的服务？高性能传感器的市场长期被美国、日本、德国的企业占据，我国科学家如何才能在这一领域拼出一席之地？　　简单来说，传感器就是用材料经过一定的设计，做成的一个器件，取代耳朵、鼻子、舌头、眼睛、皮肤的功能。它能够看得见、听得见，能够闻得出味道，能够感知到。它可以比人类的功能更强大，所以传感器要具有高性能。传感器具有的高性能，一般要超过人类的五官，能够听得到很远的声音，能够看得见红外光。　　日常生活当中传感器非常多，最敏感的一个传感器大家可能没注意：你把手机靠近耳朵的时候，手机的屏幕就暗了，所以随便怎么碰耳朵，照样可以打电话，这就是手机传感器在起作用。手机里面传感器最多，而且都很小、很灵敏。现在传感器的发展趋势就是高精度、高灵敏、高速响应、高稳定性、高可靠性、微型化、柔性化、多功能集成化、数字化、智能化、无线通信化，另外还要绿色环保。　　没有传感器就无法数字化　　2019年，嫦娥四号探测器成功着陆在月球背面。嫦娥四号搭载了多种科学探测仪器，可以探测月球表面的地形地貌、月表物质的成分和月球表层的结构。嫦娥四号的着陆器上还安装了4个与月壤直接接触的温度计，可每900秒测量一次月壤的温度，这也是人类首次实现在月球背面对月壤温度进行原位测量。我们进入了一个智能化的时代，上至宇宙探索，下至日常生活，数字技术已经渗透到方方面面，农业测产、荒野探矿、太空探月都离不开传感器，传感器信息采集功能的重要性也因此越来越凸显。物联天下，传感先行，无论是“大数据”“人工智能”，还是“物联网”，其最重要的“基石”就是传感器技术。那么，传感器技术怎样进行数据的采集、存储、计算？　　智能时代的最大特点就是智能化系统的运用。智能化系统有三大支柱：动态感知、智慧识别、自动反应控制。比如机器人能够把乒乓球打到，首先是动态感知，看到这个球怎么过来；其次要分析这个球会从哪里进来，这是智慧分析；然后它采取措施，打到这个球。智能化系统最后的出路就是推动人工智能、智慧地球、数字城市的建设。这个系统最大的核心就是数字化，因为只有数字化才能定量化、精准化、规律化、智慧化，最后促进数字经济的发展。　　数字经济的“数字”从哪里来？就是靠传感器来的，所以传感器是大数据的源头。数据有两类：一类是文本大数据，另一类是物理大数据。物理大数据是靠传感器实时获得的，这类数据好多都是声、光等类型的，它们属于一个波动世界。这个波动世界里面的数据量特别大，一个波有振幅、有位相、有频率，还有偏振等等，再加上时间、空间等海量的大数据，就可以告诉我们好多信息，然后对这些信息进行分析。　　传感器和物联网是智慧地球、智慧城市两个核心技术。智慧分析就是从大数据分析出一些我们所需要的信息。现在浙江省义乌市有一座大桥里面安装了好多传感器，通过传感器看它里面振动的应力波形，不同的车辆开过去波形都会有变化。如果有一天发现应力情况异常，就会报警。　　传感器是支撑智能化最重要的“一条腿”。无线通信接收信号要靠传感器，通信卫星主要就是发射和接收，接收需要传感器，没有传感器，通信就中断了，后面的智能化更无法实现。可以说没有传感器，就没有智能时代；没有传感器，也没有信息化时代。　　我国传感器技术与国外的差距及优势　　一部智能手机中有20多个传感器，一部汽车更是有多达上百个各类传感器。无处不在的传感器，已经成为全世界最具发展潜力的高新技术产业。但是，目前全球2万多种传感器产品中，我国能生产的只有大约6000种，远远不能满足国内市场的需求。智能手机中，传感器几乎均为国外产品，每年我国各种中高端传感器进口占比高达80%，传感器芯片进口的占比甚至要达90%。我国传感器技术与国外的差距究竟在哪里？如何才能打开自己的一片天地？　　传感器国内一般来说都能制造，在一般的应用上面也都适用，但是在高端应用、精细应用方面和国外有差距，这就要发扬工匠精神赶超世界一流。　　我们也有自己的优势领域，有一本最有名的科学手册叫《LandoldtBoerstein》，这本科学手册，到现在已经有140年历史了，它每隔10年到15年要修订一次，我就是负责碲镉汞材料修订的作者负责人，因为在这个领域，我国科学家做的工作国际上认可，所以我们有这个资格来承担这项工作。　　发展传感器，我国过去有一个弊端，就是买得到自己就不做了，但是红外探测器高端的买不到，就只能自己做，我们反而做出来了。其实在有些核心的关键领域还是要自立自强。我们现在好多企业，在红外传感器方面，水平不断地在提升。另外，要发展智能化，把芯片技术感受到的传感信息，智能化地分析处理，这就是当前传感器发展的趋势。　　智能时代的“桥梁”　　2019年4月15日，法国巴黎圣母院起火，考虑到空中投水可能造成建筑及文物损毁，法方派遣无人机捕获实时图像，为消防员实现精确定点扑救提供了重要支持。这其实得益于物联网技术的普及。互联网、物联网，一字之差，但两者截然不同。如果说，互联网是人们用来进行信息传播和共享的平台，那么，物联网就是“物物相连的互联网”，所不同的是，物联网是通过传感器、红外等各种感知设备，将信息传送到接收器，再通过互联网实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护。如今，物联网已经广泛应用在智慧城市、智慧医疗、智慧农业等众多领域，而传感器作为智能时代的“桥梁”，在各个领域智慧建设中已不可或缺。未来，传感器在智慧城市、智慧医疗、智慧农业等领域还能起到怎样的作用？　　江苏无锡有一家公司，在公司每个区域里所有的转动部分都安装了传感器，这样在办公室里可以监控所有的电梯、马达是否正常。如果哪个地方不正常，控制室就亮黄灯了，马上就可以派人去修理。这就是智慧城市管理的一方面。　　现在抑郁症很多，还有一些小孩患抑郁症，抑郁症当然有多种识别方法，也可以做成一个小的设备，定量分析患者的抑郁程度，这都是传感器信息获取分析的可能应用。如果我们人体里面都有传感器，比如口袋里放个心脏传感器，心电图随时可以拿到，如果一个人心脏有点不舒服了，跟医生打个电话，说我现在心脏不舒服，或者发条微信给他，这个是互联网技术的应用；但如果这个传感器的信号直接送到分析中心，分析中心就能够根据GPS定位知道人在什么位置，马上通知相关机构采取措施，这就是物联网技术应用。物联网技术在人类健康上面大有用处。　　人类现在要进入智能时代，智能时代的最大特点就是智能化系统的运用，智能化系统非常重要的核心就是传感器，传感器就是我们的敏感神经。在智能时代的背景下，我们要努力打造敏感神经，通过科技创新手段不断提升信息传感水平，不断提升智慧分析水平，从而发展物联网、人工智能、智慧地球的事业，促进数字经济的发展和城市数字化转型，最终提升人们的生活水平。