硬件设计与实现

说到物联网，相信科技圈的人对此已经比较熟悉了，过去的这几年中国在物联网方面可谓是下了大功夫。整体而言，中国的互联网水平比较高，这无疑为物联网的发展营造了一个良好的氛围，然而，硬件方面的先天不足却一度让中国产业界捉襟见肘。今天，就先说说物联网硬件领域产业核心——MEMS。　　MEMS，全称是微型电子机械系统，利用传统的半导体工艺和材料，由微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理、控制电路、接口、通信和电源等构成的微型器件或系统。这种小体积、低成本、集成化、智能化传感系统是未来传感器的发展方向，而传感器正是物联网最底层的数据采集入口。　　传感器市场中外力量对比悬殊　　目前，全球传感器市场主要由美国、日本和德国的几家国际巨头主导，其中，以博世、霍尼韦尔、意法半导体、飞思卡尔、日立等表现得最为突出，中国传感器70%左右的市场份额被这些外资企业占据。　　中国本土企业市场份额较小，力量薄弱，具有代表性的企业有汉威电子、大立科技、华工科技等。　　中国MEMS产业起步较晚，目前尚未形成规模，产业整体处于从实验室研发向商用量产转型阶段。随着国家政策的扶持，近两年中国MEMS产线投资兴起，到了2014年，中国MEMS代工厂建设投资超过1.5亿美元，但是技术的匮乏和人才的缺失依然是产业的短板。　　中国MEMS产业的布局　　中国MEMS企业在营业规模、产品结构等与国外有明显的差距，工艺开发更是目前面临最主要的问题，产品在本身技术实力和生产工艺还有很大的提升空间。　　中国MEMS设计企业一半以上集中于华东地区，其中，以上海、无锡、苏州三地为产业集中地。上海地区，汇集的企业有深迪、矽睿、铭动、微联、芯敏、文襄、天英、巨哥等 无锡地区，汇集的企业有康森斯克、美新、乐尔、杰德、芯奥微、微奥、必创、微纳、沃浦等。苏州地区，汇集的企业有明皜、敏芯、多维、双桥、汶灏、能斯达、圣赛诺尔等 其它地区，还有深圳瑞声、山东歌尔、西安励德、河北美泰、郑州炜盛、北京水木智芯、浙江大立、武汉高德、成都国腾、天津微纳芯等。　　从市场来看，中国拥有全球规模最大的集成电路市场，加之物联网的催化，国内市场对加速度计、高精度压力传感器、硅麦克风、陀螺仪、射频仪器、气体传感器、电子罗盘等MEMS器件的需求日益迫切。　　MEMS产业链复杂，涉及的厂商众多，设计、制造、封装测试厂商都在积极布局MEMS，目前我国已逐渐形成完整MEMS的产业链。　　随着政府的扶持和资本的注入，相信中国的MEMS产业会发展得越来越好，物联网行业的硬件实力也会一步步加强。物联网作为下一个风口，中国要如何实现弯道超车?首先，中国物联网切不可被扼住命运的喉咙。

本期推文主要编译整理了 Xin YeeTai 等发表在 Energy and AI 的综述《可持续化学和工艺的未来:人工智能、数据和硬件的融合》（The future of sustainable chemistry and process: Convergence of artificial intelligence, data and hardware）。论述了在工业 4.0 的背景下，可持续的化学过程可能会成为一个智能实验室，将网络物理系统与先进的人工智能和稳健的检测技术连接起来。它还将创建一个闭环系统，包括合作和协调机器、自我决策系统、自主问题解决和学习系统。此外，还讨论了闭环系统在可持续化学过程中的发展前景和关键挑战。可再生能源发电和绿色合成的可持续化学是一个及时的研究课题，其愿景是在不损害子孙后代的情况下满足当前需求。在工业 4.0 时代，可持续化学和过程正经历着从连续流系统到下一层级操作的剧烈转变，例如通过将人工智能、数据和硬件集成到网络物理系统中的协作和协调机器、自决策系统、自主和自动问题解算器。由于物理空间和网络空间之间缺乏融合，开环系统面临着数据隔离、周期时间慢和资源管理不足等挑战。新兴的研究致力于加速这些循环，通过增材制造、内置在线监测和人工智能减少多步骤过程和实时表征之间的时间。最终目标是同时提出可持续化学过程中的工艺配方、流程合成和分子表征，每个步骤同时发送和接收数据。这一过程被称为“闭环”，它将潜在地创建一个具有高度集成系统的未来实验室，并生成一个面向服务的平台，用于端到端同步、自进化、反向分子设计和自动科学发现。该观点提供了一种方法，分别通过人工智能和增材制造，结合内置在线监测，分别理解网络和物理系统。此外，还讨论了闭环系统在可持续化学过程中的发展前景和关键挑战。01 引言可持续化学过程是一个科学概念，它寻求在不牺牲资源和环境的前提下满足当前的需求。近年来，连续流化学的发展势头日益强劲，从基本的实验室技术发展到实践中复杂的多步骤工艺。与传统的间歇系统相比，它具有搅拌快、传热快、反应时间控制有效、对有毒和高活性化学品实验安全等优点。此外，连续流化学可以更快地发现绿色化学产品和合成路线，大大减少了实验室和工业规模的污染物排放。连续流化学是实验室里的微型连续装置。它被认为是可持续化学工艺从科学研究向工程生产规模化发展的垫脚石。以层流为基础的燃料电池是可持续化学过程的一个显著例子，它利用液体燃料作为可持续资源，在微通道中持续产生能量，并产生水作为副产品，而不会对环境产生负面影响。此外，太阳能是一种巨大的、可靠的、实际上用之不竭的能源，具有均匀的辐照，可以很容易地与连续流反应器集成在一起，在流太阳能电池中产生化学能和电能，如产生单重态氧和去除水中的有毒成分。可持续化学过程的概念也体现在碳捕获和利用上，即以微胶囊或微流体装置的形式持续捕获温室气体，然后转化为绿色合成产品。第四次工业革命，又称工业 4.0，正在形成一种演变，其影响已遍及各个行业，尤其是制造业。在工业 4.0 的背景下，可持续的化学过程可能会成为一个智能实验室，将网络物理系统与先进的人工智能和稳健的检测技术连接起来。它还将创建一个闭环系统，包括合作和协调机器，自我决策系统，自主问题解决和学 习系统。可持续化学过程的智能实验室的目标是通过适应“即插即用”的原则，以尽可能快的速度完全灵活的生产。鲁棒的传感技术可以灵活地嵌入到多步反应和分离过程中进行实时监测。因此，3D 打印提供了最佳的解决方案，因为其灵活和可定制的独特属性，使“即插即用”的原则快速实现。此外，在智能实验室中采用数据驱动策略，可以提高灵活性和智能制造水平。这一策略在很大程度上取决于数据的质量和数量，这可以通过利用先进的传感技术通过内置在线监测过程来保证。此外，智能实验室也被称为“黑暗实验室”、“熄灯实验室”或“无人实验室”，不需要人力。[来源：曼森生物视频号] 曼森无人化实验室检测全流程自动化，实现检测全流程黑灯作业它运用人工智能实践预测、自动化和自主、自行为和自决策的方法，在可持续化工过程中进行智能控制、调度、设计、过程控制质量和维护。例如，巴斯夫正在实施工业 4.0，将 3D 打印应用于现场设施、连接系统以及用于过程管理和控制以及虚拟工厂调试的先进预测和分析模型。施耐德电气采用了 3D 打印、先进的人工智能和先进的传感器，使生产率提高了 2-7%，能源利用率提高了 30%，运营成本降低了 50%。将增材制造、先进 AI 和鲁棒传感器应用于工业规模工艺，在提高工艺效率、能源利用率和成本效益方面显示出显著的势头。如前所述，AI、数据和硬件是智能实验室的基础模块。人工智能是对人类智能的一种模拟，它被编程在机器中，使它们能够像“科学家”一样思考和行动，比如学习和解决问题。在可持续化工过程中，神经网络、机器学习和遗传算法等人工智能算法是监测、优化和控制中常见的数据驱动方法。因此，将先进的传感技术嵌入到多步骤过程中进行在线监测，可以保证数据的质量和数量，这是数据驱动方法的主要关注点。通过内置在线方法，可以获得化学过程的实时数据，如反应物使用量、产品收率以及操作条件，如 pH、温度和压力，这些都是离线分析技术无法获得的。在线方法直接测量工艺流程，不需要去除或转移样品，而在线方法自动分析样品材料，不需要分配工艺。将先进的传感技术集成到反应室需要灵活的硬件设计，这可以通过增材制造(AM)方便。AM 也被称为 3D 打印，是一种绿色制造技术，从数字输入建立三维物理输出，而不需要传统的工具。该定制工具为需要定制、灵活性和设计复杂性的应用程序提供了优势。AM 在燃料电池、流动化学等能源产生装置中的应用也得到了广泛的讨论。除此之外，人们还非常希望将人工智能、数据和硬件结合到实验室规模的研究中，以简化之后的升级过程。到目前为止，许多工作已经分别讨论了智能工厂的网络和物理系统。网络系统指的是人工智能和数据的融合，数据通过先进的感知技术产生，并被人工智能算法用于执行任务，如在云空间的自我优化和预测。相比之下，物理系统描述了智能实验室的硬件，如多步反应器、分离器和检测技术，它们可以通过 AM 技术实现物理集成，用于内置在线监测。在这样的网络和物理系 统中，如果没有 AM，网络系统的鲁棒性将受到低自定义能力与强大的检测技术 连接的阻碍，从而导致构建可靠模型的高质量数据的丢失。另一方面，如果没有 人工智能，物理系统将只能执行实时监控，而没有智能反馈和控制，限制了物理 系统的可扩展性和功能。因此，人工智能、数据和硬件的融合可以实现智能可持 续化学的物理和虚拟意义。02 通过增材制造和在线监测实现的智能物理系统这里的物理系统指的是用于反应器、分离器和先进检测等可持续化学过程的智能实验室的硬件。由于对实时信息的需求，有必要通过增材制造将它们集成到外壳和套管中，以便进行内置在线监测。AM 可以减少生产集成先进检测的定制反应室的周期时间。这种无与伦比的方法可以鼓励研究人员执行一种更迭代的方法，在现有的硬件中嵌入特定的几何形状。因此，可以根据工艺的要求，立即修改设计。此外，它还可以避免有价值但寿命较短的中间体检测的损失。目前，各种检测技术，如温度监测、光谱学和成像，已通过 3D 打印用于在线监测在可持续化学应用中得到了报道。例如，Monaghan 通过超声波添加剂制造（UAM）开发了多材料结构光谱学，将纤维药物嵌入金属微反应器中，用于 B维生素烟酰胺和荧光素的现场监测，如图 1 A 所示。通过启用 AM 的现场监测，研究人员可以从反应物的使用中获得实时数据，而使用离线分析技术无法看到产品形成和中间体生成。Maier 等人通过选择性激光熔化（SLM）开发了带有在线氧传感器的不锈钢反应器。这被证明是研究格氏试剂在流动中氧化的一种有前途的方法。这两项工作都表明了 AM 技术在制造高度复杂的金属器件方面的稳健性，这些器件适用于可持续化学过程中的高温高压应用，同时在更自由的设计中保持高精度的测量。在空气污染监测的另一个应用中，熔融灯丝制造（FFF）用于制造带有嵌入式半导体空气质量传感器的光催化气相反应器，该传感器测量电阻变化。这种 3D 打印气体传感器采用廉价的方法制造，并配有现成的组件，如光催化过滤器和模数转换器。采用 AM 技术还可以安装更强大的检测单元，并改进系统性能评估。例如，在燃料电池系统中，电流密度和功率密度是评估性能的标准实时信息。采用熔融沉积模型（FDM）在高温聚合物电解质燃料电池上嵌入电子顺磁共振（ERP）光谱，用于阴极电导率测量。Polyjet 技术提供了一种快速且经济高效的方法，当使用商业 X 射线计算机断层扫描仪提供的低强度 X 射线进行水分布可视化（图 1 B）时，设计足够小的夹具，以实现良好的信噪比，否则很难通过常规机加工制造。这项工作突出了使用鲁棒传感器实时监测层流燃料电池的机会。Menzel 等人通过 FDM 提出了一个 3D 打印化学合成系统，包括反应器、分离器、压力调节器和泵，如图1 C所示，该系统为多步化学合成创建了一个完整的连续流系统。 在低成本 3D 打印技术上对耐高温和耐化学腐蚀的聚合物（如聚醚醚酮）进行 3D 打印，为可持续化学过程中的高温和腐蚀应用创造了机会。图 1 （A）UAM 池光谱测量示意图，其特征是垂直于微流控通道嵌入涂层光纤，用于分析荧光素溶液 （B）具有三维打印池支架和流场夹具的 X 射线计算机断层扫描系统内的可视化设置 （C）使用三维打印反应器、泵、BPR 和膜分离器曼森人工智能自动化实验室产品随着互联网技术的不断革新以及人工智能、大数据时代的到来，信息技术在各个领域日益渗透，借助先进信息技术与前沿管理理念打造智慧实验室，成为未来发展的必经之路。在此创新变革浪潮之下，曼森生物全自动化检测检验实验室解决方案从精益化、智能化、持续化三大方向持续深化创新，为实验室的运营管理与未来发展带来无限可能，成为助力实验室实现自我革新的新引擎。NO.1高通量发酵平台平行生物反应器：由华东理工大学生物反应器国家重点实验室和国家生化工程技术研究中心张嗣良教授技术团队研发的平行生物反应器，区别于传统的生物反应器，具有高度平行性（同步性和重现性），利于高校实验室和企业研发实验室使用。NO.2液体处理机器人全自动分液机器人：采用协作机器人进行分装液体，通量高、速度快、灵活性大、兼容试管、离心管、三角瓶、蓝盖瓶、容量瓶、微孔板等多种形式容器，特别是可以分装接触皿将液体自动定量分装到各种容器中。梯度稀释机器人：样品的梯度稀释、复制和重排组合，适用于试管间、孔板间稀释；有吹吸混匀功能。可以同时稀释4种样品。NO.3四通道平板分装仪四通道平板分装仪：该设备拥有智能操控、分装准确、可自定义分装参数等特点，可以同时分装1-4种培养基。仪器启动后无需管理，自动进行培养基的分装及平皿堆叠，可大幅度减少操作人员工作量，是实验室分装平板培养基的优选设备。未完待续参考文献：Xin Yee Tai, Hao Zhang , Zhiqiang Niu, et al. The future of sustainable chemistry and process:Convergrnce of artificial intelligence,date and hardware. Energy and AI 2 (2020) 100036文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作供稿排版校对：刘娟娟编辑内容审核：郝玉有博士

【TechWeb报道】2月13日消息，据国外媒体报道，如果谷歌的头戴式显示眼镜和自动驾驶汽车对您来说来不足以说明什么，那么现在好消息来了：谷歌正在投资1.2亿美元用于新项目建设，其中多数将用在硬件测试设备方面。 　　Mercury News报道有公开的信息显示谷歌在维护既有建筑设施的同时也在兴建新建筑。从新闻中可知这些项目中有一个是设计用于测试谷歌新流媒体服务的实验室、一个谷歌X实验室的大修和一套精确光学技术。除此之外，谷歌也在打算修建一个“谷歌体验中心”——一个12万平方英尺的建筑，它对那些谷歌的重要客户来说将扮演一个私人博物馆的角色。 　　然而这个体验中心不仅仅表明这家大公司正在打算继续扩展，那些项目也证明谷歌正在加强其硬件领域的实力。我们已经见证了谷歌旗下的Chromebooks，电话，和电视服务，但这不过是个开始。现在的问题是，它们真的能实现么?