智能时代：创新科技逐梦，科学精神护航

褚君浩　林　铁

褚君浩， 中国科学院院士，中国科学院上海技术物理研究所研究员，复旦大学光电研究院院长；从事红外光电子材料和器件研究，并取得多项成果，提出的适用于碲镉汞能带、光谱计算的CXT公式 和吸收系数公式成为窄禁带半导体材料器件设计的重要依据，至今仍是国际上判断红外探测器新材料、新结构的通用公式；发表了800多篇学术论文，出版了一系列的学术专著；2014年被评为第六届“十佳全国优秀科技工作者”，2017年获得首届全国创新争先奖章，2017年被评为感动上海年度人物等。

林铁， 中国科学院上海技术物理研究所副研究员；从事铁电材料、半导体材料电学测试、数据分析以及非制冷红外探测器研制等研究工作，并在半导体低维结构、二维材料输运特性等方面发表了100多篇学术论文。

人类文明已有几千年的历史，但绝大部分时期社会生产力水平提升缓慢。直到近两三百年，技术变革层出不穷，社会财富快速增长，人们的生活水平也不断提高。这些变化与工业革命息息相关。

18世纪发生了以机械化为特征的第一次工业革命。蒸汽机的改良和应用是第一次工业革命时期影响最深远的技术变革，引发了近代历史上的动力革命。瓦特通过长时间研究和大量实验，设计了分离式冷凝器，提高了蒸汽机的热效率，还设计了曲柄传动，将蒸汽机的直线运动转化为圆周运动。瓦特式蒸汽机首先在纺织业获得应用，大大提高了英国纺织机的生产效率，并很快扩展到其他工业领域，推动了铁路运输业的发展，以蒸汽机为动力源的轮船改变了全球远洋运输业的面貌，人类历史进入“蒸汽时代”。第一次工业革命中的许多技术发明主要来源于以瓦特为代表的技术工匠的实践经验。

19世纪发生的第二次工业革命则是以电气化为特征。发电机、电机等设备的出现，使电能成为替代或补充化石燃料的新能源。一批科学发现与技术创新充分结合的新兴产业出现，电灯、电车、电影等的相继问世，标志着人类由此进入了“电气时代”。与第一次工业革命不同，这一时期的技术发明多数由科学家在实验室中完成。自然科学和工业生产紧密地结合起来，在推动生产力发展方面发挥了更为重要的作用。

20世纪出现了第三次工业革命，这次的特征是信息化。原子物理、量子力学、固体物理、现代光学和半导体理论的发现，促进了现代电子技术、微电子技术、原子能技术、信息技术等一系列新产业的发展。其中电子计算机技术是核心技术。电子计算机大大解放了人的脑力劳动，并促进了激光、通信、存储等新兴技术的发展，使人类进入“信息时代”。

现在我们进入了21世纪，又将迎来新的工业革命，其特征则是智能化。如今，人工智能、机器人、无人机、无人驾驶汽车等已出现在我们的生活中，人类也将进入“智能时代”。那么智能时代的特征是什么？它出现的驱动力是什么？它的发展趋势又是什么？我们要如何适应这个新时代，并在其中发挥我们的作用呢？

智能时代及其驱动力

想象一下“魔法世界”，日常生活中无生命的物体可以有“意识”地跟人交流互动。大门自动识别身份并开门锁门，房间空调系统依据人的身体状态调节温度和湿度，椅子自动调节形状让人舒适地坐着，并能跟人聊天，让人身心放松等。在智能时代中，这些场景都能实现。智能时代的“智能化”，最大的特点就是把“智慧”融入一个物理实体系统，让这个实体系统可以“有意识”地工作 ^［1］ 。计算机无需依靠键盘、鼠标输入，可以通过识别人的语言进行工作。生产机器人同样可以识别人的语言，无需复杂编程。甚至是一把尺子，测量物品长度后也会直接把数据传输至系统，无需人工读取数据后再输入计算机。可见在智能化时代，人们的工作效率将极大提高，整个社会的生产力水平也将大幅度提升，进而引发新的工业革命。

那么推动人类进入智能时代的驱动力是什么？首先就是能源环境问题。目前，人类社会对化石能源产生了严重依赖。但化石能源的使用会产生二氧化碳等温室气体，导致地球表面平均温度不断上升，造成全球气候变暖。全球气候变暖对地球南北两极的影响最显著。一个现象是北冰洋洋面冰层融化，导致北极熊的生存环境受到挑战，出现大熊吃小熊的情况。另一个现象是尖须缘蚬蝶在北美洲的栖息地向高纬度地区拓展，这也说明北半球地区的气候在变暖 ^［2］ 。类似现象也出现在其他地区。比如北京附近的山上发现了一种尖帽草，这种植物原来只出现在南方。全球气候变暖不仅影响生态环境，更直接导致冰川融化，海平面上升。据估计，如果格陵兰岛上的冰川全部融化，全球海平面将上升7米多，全球大部分发达地区都会受到影响。上海以及江苏、浙江等地的沿海城市将被淹没，甚至南京也会被淹没，山东半岛将变成两个岛。如何在新时代实现生产力大幅度提升的同时又不破坏环境，是新工业革命的第一个驱动力。

第二个驱动力就是人类不断追求更加美好生活的愿景。以视觉产品为例，我们日常接触的电子设备显示的图像通常是二维的，尽管目前也有3D电影，但一般都要借助特殊的眼镜才能观看。以往技术所呈现的图像跟实际世界还是有很大区别的，这影响了我们的娱乐观感。今天已有裸眼3D技术，一张薄薄的塑料纸片只需要灯光一照，各种形象便呈现出来，仿佛要从纸上一跃而出，充满活力的少女竟然可以在我们的手掌上跳舞。这些技术除了应用在娱乐行业，也可以用在其他行业。比如在医疗方面，借助该技术可以让外科医生更准确地找到人体组织，更高效地完成手术；在导航方面，让人们更快地识别所在位置，找到更优的通行路径等。人类对美好生活的向往，产生了巨大的需求，最终转化为驱动力，让社会进入智能时代。

第三个驱动力是不断发展的科学技术。目前，各国都认识到科学技术的重要性，加大了研发投入，加速了科学技术的发展。脑科学和认知科学的发展为人工智能的发展和智能化提供了理论基础，电子器件微型化为智能化创造了硬件条件，大数据、云计算等为智能化提供了海量数据存储和计算能力。这些科学技术又与工业生产紧密结合，大幅度降低智能化制造成本，推广智能化应用。最终从量变到质变，引发了智能化工业革命。

可见，未来新工业革命不仅是科学技术推动的，还是环境、能源以及社会发展需求引发的。新工业革命的使命不仅是变革式地提高工业生产力水平，更要考虑维护绿色生态环境，为人类创造更美好的生活。

智能时代的技术趋势

未来新工业革命的总体趋势是智能化，技术基础是互联网、传感器、物联网、大数据、云计算和元宇宙等技术 ^［2］ 。智能化引起的变革主要体现在六个方面：第一是智能化的低碳技术、能源互联网、分布式能源系统；第二是智能化的复杂体系、人工智能、大模型、人形机器人、智慧城市；第三是智能化的制造技术、先进材料、极端制造；第四是智能化诊断、修复技术、智慧医疗、脑机接口；第五是传统工业的智能化升级；第六是人工智能的广泛应用，人工智能驱动科学研究（AI for science）。

下面以低碳技术、智能化系统和智慧城市为例，谈谈未来新工业革命的体现。

为了避免发展对环境产生影响，智能时代需要低碳技术 ^［3］ 。低碳技术包括三个方面，即减碳、无碳和去碳。减碳技术就是节能减排，用发光效率更高的LED灯代替白炽灯进行照明，煤、石油和天然气的高效、清洁、综合利用等。无碳技术主要指清洁能源（包括水能、核能、太阳能、风能、生物质能等）技术。去碳技术是通过碳捕捉、存储和利用技术，从末端进行治理的低碳技术，实现零碳排放。低碳技术要求不断提高科技创新能力和水平，进而满足智能时代人们生产、生活的需要。而智能时代的技术发展也会进一步推动低碳技术的发展。以太阳能技术为例，全球太阳能资源非常丰富。我们估算，如果在我国荒漠地区的十分之一面积（约25万平方千米）安装太阳能光伏电板，效率按15%计算，就可以满足全国的能源需求。我国西部太阳能资源尤为丰富，但电力需求大部分在东部，太阳能资源随地区分布不平衡；且各地太阳能资源随时段波动大。这样有些地方发电量多却用不掉，又无法大量存储，只能浪费。为此需要发展智能化分布式能源系统和能源互联网技术，让各地太阳能系统共享，避免出现浪费现象，实现太阳能资源高效利用，为智能时代提供清洁能源。

智能化系统是智能时代的重要特征，它有三大支柱，分别是动态感知、智慧识别和自动反应。动态感知是利用传感器实时地将系统外各种信号数字化。只有数字化才能定量化、规律化，最后达到智能化 ^［5］ 。智慧识别是基于内置的大数据物理模型，分析、处理从传感器获得的数字化信号，做出精准判断。自动反应则是基于基础信息平台，控制和协调系统各部分，对外界信息做出快速反应。比如踢足球的机器人，利用所配置的图像传感器快速采集、定位场上足球的运动轨迹，并基于物理模型计算，预测足球运动轨迹以及自己的最佳跑动方向，最后协调身体各个部位，到达指定位置完成动作。无人驾驶汽车、无人机、机器人等都需要智能化系统。智能化系统在航天领域的应用更加普遍。嫦娥三号在登月时借助了智能化系统进行着陆点选择。月球表面布满陨石坑，如果着陆地点选择不当，航天器就可能损毁。以色列和印度的航天器就在着陆月球表面时损毁。对着陆地点的选择必须迅速，加之地球和月球之间有通信延迟，地面操作人员来不及操作，因此嫦娥三号在着陆时必须自主调整。为此，科研人员通过增加激光高度计来实时动态测量着陆区形貌，经过模型计算自动识别后快速反应，准确获得合适的着陆地点。

智慧城市又是一个非常重要的应用。智慧城市首先是“互联网+物联网”，把所有的物品通过信息传感设备与互联网连接起来，再通过模型和控制系统进行智能化识别和管理。所以它有四大基础信息化的技术：互联网、物联网、大数据和云计算。比如应对突发的公共卫生事件，一项重要工作就是密接人员排查，要求准确、及时，在病毒扩散前隔离密接人员。传统方法是通过询问，让受查者回忆旅居史，既不准确，又费时。现在可以借助手机定位技术，获取病毒携带者一天的活动轨迹，再通过大数据计算分析，获得可能的密接人员，进而做到快速排查。还可以基于城市监控摄像系统，通过人脸识别、红外测温等技术，更精准地识别并筛查出病毒携带者和密接人员，进而实现对潜在疫情扩散的快速阻断与有效控制。同样，城市中的各种设施也可以联网，实时监控这些设施的状态。义乌市的商博大桥就内置了压力传感器和磁传感器等，并通过物联网将数据传输至网络。这样就可以实时监测大桥的“健康”状态，避免重大事故的发生。

总之，以智能化为特征的工业革命，不仅可以大幅度提高生产效率，而且将在环境、生态、社会等各个领域产生积极影响，提高人们的生活水平。

智能时代与科学精神

智能时代追求性能极致的技术。例如，智能化系统中的动态感知、智慧识别两个核心技术分别依托传感器芯片和智能计算芯片实现功能支撑。智能化系统发展要求不断提高这两种芯片的性能，最终融合成一种智能传感芯片。这样的芯片将具有更优性能、更低成本、更小尺寸、更低功耗、更多功能……这就要求技术不断创新和迅速迭代。因此在智能时代背景下，新发现、新技术将会层出不穷、日新月异，这就要求我们始终坚持探索与创新的科学精神，以适应这个时代，并在新环境中做出符合时代的贡献。下面结合我国红外探测技术的发展历程，谈谈科学精神。

加强基础研究，培养探索精神。基础研究在历次科学革命和工业革命中都发挥了先导作用，也是核心技术发展的基础。20世纪六七十年代，我国红外技术路线面临一次重要选择。当时与其他红外光电半导体材料相比，碲镉汞材料性能并不突出，我国对是否应该发展碲镉汞材料存在争议。由于研发资源有限，许多人认为应该优先发展表现性能更突出的其他红外光电半导体材料。汤定元先生从基础理论出发，对各种材料做了研究，综合分析了所有红外光电半导体材料的综合性能，提出碲镉汞材料具有更优的潜在性能，应该优先发展。因此，从20世纪70年代开始，我国就大力发展碲镉汞半导体材料。国外陆续公开的相关技术，以及我国红外光电探测器的发展与应用，都证明了碲镉汞材料是性能最优的红外光电半导体材料，由其研制的红外探测器成为许多重大应用系统的核心器件。这样，尽管我国红外技术起步较晚，但仍赶上了国际先进水平。只有坚持开展系统、深入的基础研究，持续推进创新突破，才能在智能时代跟上技术步伐，推动技术发展与变革。

坚持原创研究，培养创新精神。从事基础研究，要围绕一个领域把问题弄清楚，做深、做透，最后解决问题。20世纪七八十年代，碲镉汞材料吸收光谱只有波长大于吸收边范围的，波长小于吸收边范围的光谱由于技术困难，一直没有人测量出来，影响了红外探测器技术发展。我们以碲镉汞红外光谱为研究对象，从半导体能带理论出发，分析影响碲镉汞能带的各个因素。我们对窄禁带半导体碲镉汞能带进行了理论计算和分析，通过对碲镉汞样品的极限减薄，测量了大量样品光谱，获得了可靠的实验数据，最终获得了碲镉汞波长小于吸收边的光谱。首次发现的碲镉汞带间跃迁吸收光谱，不仅对我国碲镉汞红外探测器制备具有理论指导意义，还引起了国际同行的高度关注。在智能时代，我们更要坚持原创性研究，获得创新成果，推动技术变革性进步。

建设一流团队，培养合作精神。一个人的能力是有限的，不可能干好所有事，因此要完成一个大的科研任务，需要一个团队的密切合作。在研究碲镉汞带间跃迁吸收光谱时，需要不同组分的碲镉汞样品，还需要各种设备进行加工。而当时碲镉汞材料制备、加工都很困难，很难获取。为此，中国科学院上海技术物理研究所的同事们纷纷帮忙，提供了大量不同组分的样品，并在样品制备中提供了各种帮助。正是有了大量合适的样品，我们才获得了丰富的实验数据，最终测量到准确的光谱数据，获得碲镉汞带间跃迁吸收光谱 ^［6］ ，从而为材料制备、器件加工等工作提供指导，最终提升了器件性能。智能时代对各种工作的要求都达到了极致，这就需要建设一支分工细致、有凝聚力、协同合作的团队。

追求精益求精，培养奋斗精神。性能极致的技术必然离不开精益求精的工作态度，也离不开奋斗精神。红外探测器在航天工程应用中不容出错，为此需要研究人员开展大量实验，验证其性能、可靠性和寿命等参数。这些数据不仅要在实验室环境中获得，还需要到各种恶劣的实际环境中通过实验与试验收集。比如登月工程中用的激光高度计，研究团队不仅在实验室完成了产品的各种验证工作，还到内蒙古草原等现实环境中进行各种测试。他们在各种实验中不断发现问题，进行技术迭代，最终才能获得高性能的激光高度计，为航天器登陆月球提供保障。智能时代对产品性能的要求也达到了极致，因此我们更需要培养奋斗、精益求精的精神。

只有不断提高科学素养、培养对基础研究的兴趣、掌握扎实的基础知识、树立坚韧的做事态度，才能为推动智能时代做出更大的贡献。

结语

以智能化为特征的工业革命是时代发展的必然结果，智能化将“渗透”到各行各业，不仅助力人类大幅度提升生产效率，也将在生活方面产生变革性影响。在这个新时代背景下，我们要进一步弘扬科学精神，培育创新能力，利用智能化时代产生的新工具，将个人发展融入科技与社会发展，为时代进步做出贡献。

参考文献

［1］褚君浩，周戟.迎接智能时代：智慧融物大浪潮［M］.上海：上海交通大学出版社，2016.

［2］Parmesan C.Climate and species' range ［J］.Nature，1996，382:765-766.

［3］Pike R, Earis P.Powering the world with sunlight ［J］.Energy & Environmental Science, 2010，3(2):173.

［4］褚君浩，李波.传感器与智能时代［M］.上海：上海科技教育出版社，2022.

［5］Chu J H, Xu S H, Tang D Y.Energy gap versus alloy composition and temperature in Hg _{1- x} Cd _x Te ［J］.Applied Physics Letters, 1983，43(11):1064-1066.