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人家问我笔名“坦牛”的意思，我说要像牛一样努力，但心里想着爱因斯坦和牛顿 | 褚君浩院士

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勤奋好学，追求科学真理，
踏实渐进，实现创新跨越。
以下视频来源于
格致论道讲坛
褚君浩 · 中国科学院院士
中国科学院2025跨年演讲 | 2024年12月31日 上海
大家好，我是褚君浩，来自中国科学院上海技术物理研究所。非常高兴来到中国科学院2025跨年科学演讲活动现场，我今天要讲的内容是《放飞科学梦想，迎接智能时代》。
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在18世纪，有以机械化为特征的第一次工业革命，当时最主要的发明就是蒸汽机。蒸汽机的发明推动了第一次工业革命，有了蒸汽机，耕牛、马车、帆船就发展成了拖拉机、火车头、轮船。
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到了19世纪，有以电气化为特征的第二次工业革命，它主要是从实验室开始的。由于我们在实验室里面发现了电磁感应定律，之后就有了发电机、电动机。电动机、发电机的发现也促进了电气化的进程，推动了第二次工业革命。
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在20世纪的第三次工业革命中，我们发展了原子物理、量子力学、固体物理、现代光学和半导体等这些科学，推动了电子技术、微电子技术、原子能技术、光学技术等等的发展。第三次工业革命就可以说是信息化工业革命。
第一次工业革命机械化，第二次工业革命电气化，第三次工业革命信息化。现在我们正处在信息化高度发展的时期，即将迎来的那个时代该用什么词来描述呢？
那就是智能化的时代。它的特点就是智慧融入物理系统，人工智能融入物理世界。
这几次工业革命的特征都是科学与技术交叉推动，同样，第四次工业革命的主要特征也是如此。
智能化的时代产生了很多智能化的系统，智能化的系统里面有两个核心技术：一个是实时感知技术，这个相当于人的五官，主要利用传感器、芯片来实现；第二个就是智慧分析技术，这个相当于人的大脑，主要通过模型分析和大数据分析来实现。
当然，我们也可以把感知跟分析融入同一个芯片里，那就是智能芯片。
传感器：智能时代的基石
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我们现在做成了各种各样的传感器，它们能够感知这个世界，就是因为物质的不同运动形态可以相互转换。光、声、热、电、磁，一直到生物学过程，都能够互相转化。发现了这些互相转化的规律，我们就能让传感器实现各种信息的传感。
如果我们平时注意，就会发现日常生活中有很多传感器的应用。家里的相机、手机、游戏机，还有智能家电，各种传感器在我们的生活中都发挥着重要作用。
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汽车里面的传感器就特别多，有压力、温度、位置、浓度、流量、声音、光、电等等好多类型的传感器。其中，压力传感器数量最多，有二十几种，温度传感器也有十几种，都分布在汽车的不同地方。
这是一个打乒乓球的智能化机器人，是上海一家高科技公司做的。它能够实时动态感知，能“看见”这个球，也能分析这个球是怎么过来的，还能自动做出反应把这个球打回去。
我们现在有分子传感器、化学传感器还有各种物理传感器，其中MEMS传感器（Micro Electromechanical System，微机电系统）是非常重要的一类。它被做成了芯片形式的微小结构，如果有光、声、力、电磁等信号进来，就会造成影响，使微小结构发生机械行为应变。而机械行为应变又会产生电信号，所以我们把这种传感器叫做微机电系统。利用这个原理，就可以制备光、热、加速度、气体、压力等多种传感器。
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MEMS压力传感器在各个方面都有应用，比如血压计、呼吸机、手机等等其中都有MEMS压力传感器在工作。
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智能制造也需要灵敏的传感器。举个例子，智能加工过程中非常重要的一件事就是要知道用于加工的刀具的压力是否过大或者过小，有没有发生一些特殊情况。
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于是，我们把一种PVDF压电薄膜（聚偏氟乙烯压电薄膜）做成传感器，把它安装在了刀具上面，就能够感知到刀具的压力情况了。如果发生异常，它就可以及时采取措施。利用这样的传感技术，我们就可以做成智能刀具用于智能加工。这就是一类MEMS传感器的应用。
另一类比较重要的就是光电传感器。光电传感器是传感器里面一个非常大的类。
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我们见到的所有的光都是电磁波。按照波长来说，波长很长的是无线电波，然后是微波炉里面的微波，波长比较短的还有毫米波、太赫兹波（THz光）、红外波、红橙黄绿青蓝紫各种可见光、紫外线、X射线、γ射线等等，波长都不一样。
我们利用不同波长的电磁波，通过一个光电器件就可以实现光电转换，做成太赫兹探测器、红外探测器、紫外探测器、X射线探测器、γ射线探测器等各种各样的探测器，也可以做太阳能电池。
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▲光伏型，光－器件两端产生电压
它里面有好多核心的过程，比如光打到我们的半导体PN结的结构里面，这个光就会激发电子-空穴对。电子是带负电的，空穴对是带正电的，它们在材料里面就会输运移动。
如果说它们移动到PN结的界面，界面存在着内建电场，就会把电子拉到一端，把空穴拉到另一端，那么这个器件两端就会产生电压，就有电信号出来了，这样就能够感知，可以做成光电传感器了。
所以在这个过程里，必须要搞清楚光打进来能够激发多少电子-空穴对、电子-空穴对在里面能传多远、PN结里面的电场有多强、能不能把电子和空穴分开、分开了以后电子和空穴能不能取出来等等问题。
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▲核心科学技术——半导体中的光电转换过程
这里面有两件事情非常重要，一个是科学的道理和图像要非常清晰、定量，同时在技术上面也要把材料做得非常极致，完全符合我们这个器件的要求，才能做得非常好。如果这个材料做得不纯，里面有杂质缺陷，它就会变成一个复合中心。光产生的电子-空穴对就会有杂质出现，在它那个地方复合掉了以后，电子空穴就不能到PN结里面去了，也就不能分开了。
红外探测，火眼金睛
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对于红外探测器，我们的目的是要做一只“慧眼”，尤其是要像孙悟空的火眼金睛，或者二郎神额头上的第三只眼，一看就知道那是什么东西。它要能够全天候地拍照，不论白天夜晚；它要能够非接触地测温，知道你的温度分布；还要能够识别光谱纹，这和指纹识别一样，它要能通过光谱纹来识别材质。
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▲红外传感器
我们把它做成一个智能传感器芯片，通过电磁波得到信息，电磁波的波动世界大数据就会告诉你所有信息的情况。
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比如你看我们全天候能够拍照，没有灯光和太阳的夜里，照样能够很清晰地用红外传感器来进行拍照。
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你看这两张照片，左图有个大硅片把后面的英文字母就遮住了。我们用可见光的照相机给它拍照，字母SENS后面的字就看不到，光线穿不过。但是如果我用短波红外的照相机来拍照，SENS后面的文字ORS就能看到了，因为短波红外的光能够穿过硅片。
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再看这个苹果。用可见光相机拍出来的苹果很好，但如果用短波红外相机来拍这个苹果，就能发现这个苹果是坏的。
我有一次家里买的苹果买来的时候很好，切开来是坏的。我就想，当时怎么没有去拿相机去拍一下这个苹果。当然人家也要说这位老先生有点“书呆子”，怎么买苹果还要带个相机。
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左图里有一个人拿了一张报纸，用可见光相机拍出的照片非常好，看起来就是一个正人君子。但是如果我们用响应波长非常长的太赫兹传感器的照相机去拍，就会发现他的报纸里面藏了一把刀。
太赫兹（THz）是说它的频率是10的12次方，转化成波长就是300微米，比红外的波长更长，过去也被称为远红外。
像这样的技术现在已经投入应用了。我们乘高铁时，如果说你买的是在上海或北京的商务座，进站的时候就要经过一个太赫兹人体安检设备，用来检查有没有携带违禁品。太赫兹探测器系统有个好处就是可以多次进行探测，它对人体没有危害，我们可以利用它做安检。X光也能做这个事情，但是X光对人体有影响。
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有一次我把一个保温杯放在胸口走过去了。安检人员就说，你的胸口处带了个东西。我说是的，我带了个保温杯，想看看你们这个设备好不好。当然设备是灵的，但是系统的灵敏度还有待提升，分辨率也不是太高，还会逐步发展。
红外技术在各行各业还有更多的用途。比如风云系列卫星已经发射了二十几颗了，这是国家重大的需求，也是科学技术前沿成果的体现。风云卫星的主要工作是什么呢？我们从它的名字就知道了，风云卫星就是要看风云，读气象。
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这些卫星上面就有中国科学院上海技术物理研究所做的红外相机系统，它上面的碲镉汞红外探测器可以对我们的大气风云进行全天候观测，而且它有不同波段的相机。
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这15张图里，左上角那张是综合的图，后面的14张图就是14个从近红外、短波红外、中红外、长波红外一直到14微米波长的不同的红外相机成的像。通过这个方法，我们就可以得到大数据，之后就可以分析了。
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这是我们收集了大气的数据以后，对不同高度的大气的温度、湿度作出的图像。也就是说，现在不同高度、不同地点的温度和湿度我们都能监测到，这样我们的气象报告就会很准。
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▲多通道扫描成像辐射计
我们实现了国际上首个静止轨道干涉式垂直探测仪器，可以在3.6万公里的高度对大气实现高精度的温度、湿度参数的垂直结构观测，这相当于对大气做了CT扫描。
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我们这方面的水平在国际上都是领先的，所以我们现在气象报告特别准。台风什么时候到什么地方，我们都可以精确地知道。我们可以知道明天的、一个礼拜以后的天气预报，甚至可以知道几点到几点某个区域的气象报告。
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红外传感器除了全天候都能够得到信号以外，还能够进行温度分布的测量。图中电缆的温度已经发烫了，但是还没短路。我们从热成像图就可以看到那个地方温度高，就要派人去修了。
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图中工厂夜里排污排出来的污水也能被看到。
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在电路板上有两块集成电路温度升高、正常工作，但左边那个集成电路温度特别高，我们用红外摄像头一拍也能知道。
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热成像还可以体现出，一个人的脸不同地方温度是不一样的。
这是我在试用红外摄像机，我正在讲话，就连我有两颗假牙齿它都分辨得出来，因为温度不一样。而且我剃掉了胡子，但是胡茬还在那里，这里的温度就跟脸颊上的皮肤不一样，它也能区别出来。眼镜温度比较低，所以成像是黑的。鼻子吸了冷空气进去鼻孔就是黑的，呼了热空气出来它也能分辨出来。所以我们可以用红外传感器测出温度的分布。
从地球、月球到火星
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红外传感器接收的是电磁波，电磁波有频率、强度、位相、波矢、偏振等等好多参数，再加上空间维度上的地点位置以及时间维度，就可以形成大数据。大数据就可以用来做很多智慧分析的工作，我们就可以分析出目标对象到底是什么材料什么成分。
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比如我们现在的指纹设备。大家都知道每个人的指纹都不一样，设备也可以通过这一点分辨不同的人。那不同物品的光谱也像指纹，是不一样的，甚至不同水果的光谱都是不一样的。这些图的横坐标是波长，不同波长的波反射的光的强度是不一样的，就会形成这样的光谱。
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▲生菜8个不同生长阶段的光谱曲线数据
想要做光谱分布的智慧分析，首先要收集数据做数据库。我们用红外摄像机采集植物的光谱，这是生菜8个不同生长期的光谱曲线数据，每个阶段的光谱也不一样。
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我们得到了这样的数据之后，把它存入数据库，就可以用它分析了。比如现在中国科学院上海技物所做了一种高分辨率高光谱的卫星来观察地面，它的任务是“看清”地球，相当于地球的“CT机”。
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比如想要发现地下有没有矿物，就可以用这个卫星。这是不同矿物的光谱，特征都是不一样的。地下的矿物会渗透到地球表面来，虽然含量非常弱。即使如此，我们高分辨率高光谱的卫星也能够知道它的存在。我们的卫星在上面观测地球采集光谱，然后跟数据库比对，就可以知道某一个区域下面是否存在某种矿物，然后我们再派人去观察、开采。我们中国利用这个数据库可以找到好多矿物。
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比如这是上海崇明岛，它的纵坐标每一点都代表一个光谱，不同颜色的线代表建筑、灌木、乔木等的光谱，每一点都有自己独特的光谱，这样我们就可以很好地分析城市的特点。
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▲Mengwei Jia et al., Environmental Science
and Ecotechnology, 2022
管道泄漏了以后，你怎么知道它是在哪里泄漏的呢？这张图是高分五号02卫星监测到的，是中国科学院上海技术物理研究所做的一项工作。它通过遥感检测发现了北溪2号天然气管道泄漏的准确位置，就是图中标记着红点的地方。
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那么泄漏的是什么东西呢？我们再把它的光谱分析出来，之后跟甲烷气体特征光谱比对，就可以知道这个地方是以甲烷为主的天然气泄漏了。
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