國防科普加油站（48）納米傳感器：決勝智能化戰(zhàn)爭的關(guān)鍵

傳感器技術(shù)是當(dāng)今世界迅猛發(fā)展的高新技術(shù)之一，與通信技術(shù)及計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。隨著人類社會進入物聯(lián)網(wǎng)時代，尤其是材料技術(shù)、生物技術(shù)、納米制造技術(shù)、人工智能技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展與跨界融合，各類納米傳感器應(yīng)運而生，極大豐富了傳感器的理論，拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。納米傳感器代表了人類掌控微觀世界的一種前沿技術(shù)，并成為溝通物理、化學(xué)、生物和材料科學(xué)之間的催化劑、粘合劑和效能倍增器。

隨著納米傳感器的廣泛應(yīng)用，預(yù)示著智能化社會和智能化戰(zhàn)爭時代的來臨，推動著人類社會生活和軍事領(lǐng)域的深刻變革，成為決勝智能化戰(zhàn)爭的關(guān)鍵。

直達微觀世界的探測儀和分析師

納米是一個長度單位，1納米是1米的10億分之一，相當(dāng)于一根頭發(fā)直徑的8萬分之一。納米科技是指在0.1~100納米尺度上研究物質(zhì)的特性、相互作用以及利用這種特性開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的一門科學(xué)技術(shù)。

那么，什么樣的傳感器可以被稱為納米傳感器呢？從理論上講，傳感器大小或靈敏度達到納米級，或者傳感器與待檢測物質(zhì)或物體之間的相互作用距離是納米級的，都可以稱為納米傳感器。20世紀(jì)90年代尤其是進入21世紀(jì)以來，微電子技術(shù)、激光技術(shù)、計算機技術(shù)、納米材料技術(shù)、納米制造技術(shù)、生物技術(shù)等高新技術(shù)不斷交叉融合、相互促進，納米線、納米帶、納米纖維、納米顆粒、納米薄膜、納米探針、碳納米管等制備工藝不斷提高，推動了許多新型的納米物理傳感器、納米化學(xué)傳感器和納米生物傳感器不斷問世，使人類社會大步邁進智能化傳感器時代。

納米傳感器根據(jù)工作原理的不同可以分為納米物理傳感器、納米化學(xué)傳感器和納米生物傳感器三大類。納米物理傳感器主要探測物質(zhì)或物體力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等方面的各種變化數(shù)值；納米化學(xué)傳感器是指用于測量氣體或液體類化學(xué)物質(zhì)的濃度或成分的傳感器；納米生物傳感器則是用來檢測生物的某個過程，如抗體/抗原之間的相互作用、DNA之間的相互作用、酶的相互作用以及細胞之間的通信過程等，它對于探測物質(zhì)的生物活性意義重大，比如傳染病致病的細菌、炭疽等有毒生化物質(zhì)。

從上述分類可以看出，納米傳感器的涵蓋范圍十分寬廣，用途也非常廣泛，為人們了解分析納米尺度上的微觀世界和更為靈敏地探測感知宏觀世界提供了重要的多樣化手段，因此，它堪稱直達微觀世界的探測儀和分析師。

集靈敏、智能、低功耗、低成本等優(yōu)異性能于一身

與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器由于可以在原子和分子尺度上進行操作，充分利用了納米材料的反應(yīng)活性、拉曼光譜效應(yīng)、催化效率、導(dǎo)電性、強度、硬度、韌性、超強可塑性和超順磁性等特有性質(zhì)，因而具有許多顯著特點：

靈敏度高。用于探測有毒氣體的碳納米管傳感器，利用納米晶或多孔納米材料可以增加與毒性氣體分子接觸的表面積，其靈敏度可以增加幾倍。若利用氧化錫、氧化銻、氧化鋅的納米顆粒做成傳感器，靈敏度也將大為提高。

近來中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究人員運用碳納米管與納米薄膜技術(shù)，研制出具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的柔性可穿戴仿生觸覺傳感器——人造仿生電子皮膚，可對人體不同生理狀態(tài)進行準(zhǔn)確檢測和疾病前期診斷。

功耗小。隨著微機電技術(shù)和微納材料技術(shù)的發(fā)展，使得納米傳感器向著超微型化、智能化方向迅速發(fā)展，納米級機器人傳感器已經(jīng)可以通過血液注入的方式進入人體，對人體的生理參數(shù)進行實時監(jiān)測，并有望對于癌變細胞、致病基因進行靶向精確治療。與傳統(tǒng)傳感器相比，納米傳感器還可具有自供電能力、從環(huán)境中收集光輻射和電磁輻射能量的能力以及模擬細胞呼吸將生物能合稱為化學(xué)能源的能力。

成本低。隨著納米材料制備技術(shù)的成熟，制造過程的可重復(fù)性和批量化生產(chǎn)已不存在太大的問題，納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化節(jié)點的納米傳感器進行大量布撒，可以形成無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)，這一優(yōu)勢可以使納米傳感器的探測能力大大擴展，為氣候監(jiān)測與環(huán)境保護等領(lǐng)域帶來革命性的變化。

多功能集成。傳統(tǒng)的傳感器一般為具有單一功能的傳感器，納米傳感器則可以將成千上萬的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個小微型化芯片上，使其具有多功能探測與分析能力，并具有越來越強大的數(shù)據(jù)處理、存儲與分析的能力，若與互聯(lián)網(wǎng)相連接，還將具備數(shù)據(jù)遠程分析處理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分簡便。

納米傳感器的這些特點將使其在構(gòu)建各類物聯(lián)網(wǎng)的進程中擁有可觀的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力，納米傳感器技術(shù)也有望成為推動世界范圍內(nèi)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)革命和軍事革命的“顛覆性”技術(shù)。

決勝智能化戰(zhàn)爭的重要支撐

隨著納米科技的迅猛發(fā)展，納米傳感器目前已廣泛應(yīng)用在航空航天、軍事工程、工業(yè)自動化、機器人技術(shù)、海洋探測、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。有專家認為“誰征服了納米傳感器，誰就幾乎征服了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”。特別是在軍事領(lǐng)域，納米傳感器的應(yīng)用將深刻改變未來戰(zhàn)爭的面貌，成為決勝智能化戰(zhàn)爭的重要支撐。

強大的戰(zhàn)場感知能力。納米傳感器在軍事上的廣泛應(yīng)用，可以極大促進陸上、空中、水面、水下、太空等作戰(zhàn)平臺之間的信息融合，生成完整、精確、實時的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，極大提升針對戰(zhàn)場環(huán)境、武器裝備狀態(tài)的更加精確的感知能力，還可以對戰(zhàn)場人員的生理狀態(tài)進行實時監(jiān)測，最大限度地實現(xiàn)宏觀戰(zhàn)場和微觀戰(zhàn)場的完全透明。

精準(zhǔn)的指揮控制決策能力?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭的指揮決策依賴準(zhǔn)確的信息情報，納米傳感器不僅具有高靈敏度的探測感知能力，而且內(nèi)置的微型處理器可以及時分析處理獲取的信息，若再與大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)相結(jié)合，將為指揮控制決策提供不同層次不同領(lǐng)域的信息支撐，通過信息優(yōu)勢贏取決策優(yōu)勢，搶占作戰(zhàn)行動的先機。目前外軍重視開發(fā)戰(zhàn)場云計算系統(tǒng)，就是要充分利用各類新型傳感器的信息獲取能力。

敏捷的精確打擊能力。未來戰(zhàn)爭，無人機、無人車、無人艇等無人化作戰(zhàn)平臺將越來越多地走上戰(zhàn)爭前臺，納米傳感器的大量應(yīng)用，將使無人化作戰(zhàn)平臺的偵察、打擊能力更加敏捷化、智能化。如納米傳感器用于精確打擊武器的引信，可以顯著提高武器的命中精度，運用微納米傳感器研制的微型慣導(dǎo)器件，可以具有不依賴衛(wèi)星的精確的導(dǎo)航定位與授時能力，將有效提高現(xiàn)有武器裝備的戰(zhàn)場突防、戰(zhàn)場生存和水下作戰(zhàn)能力。

智能化的保障能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，軍事裝備設(shè)施也將越來越多地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化智能化監(jiān)測管理。納米傳感器的應(yīng)用將使軍事物聯(lián)網(wǎng)擁有強大的感知監(jiān)測能力，可大幅提高軍事裝備、設(shè)施的全資產(chǎn)可視化水平，對武器裝備進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和維修管理。此外，嵌在軍服或數(shù)字化士兵系統(tǒng)中的納米生化傳感器可以監(jiān)視士兵的心率、血壓、體溫等生理特征，以及辨識體表受傷流血部位，并使該部位軍服膨脹或收縮，起到止血帶的作用。

不斷拓展人的認知能力。戰(zhàn)斗力是人、武器以及人與武器的結(jié)合，拓展人的認知能力成為戰(zhàn)斗力提升的有效途徑。近年來，外軍通過研發(fā)嵌入納米傳感器的生物信息芯片、納米機器人和腦機接口裝置，可以有效提高人的記憶力、反應(yīng)能力和視覺、聽覺靈敏度，提升作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)場感知和快速處置能力。（作者：朱啟超、王握文 來源：國防科技大學(xué)科普中國共建基地）