蒜泥科技轉載:第四次工業革命和智能時代——褚君浩院士

近日，在中國金融信息中心舉辦的第十九期「海上院士講壇」上，褚君浩院士受邀開講，作題為「第四次工業革命和智能時代」的主題報告。褚君浩院士從第四次工業革命、迎接智能時代、培育創新能力三方面，分享第四次工業革命的驅動力、特徵和態勢，討論智能化複雜體系的核心技術以及探討智能時代背景下的應對措施。

中國科學院院士，中國科學院上海技術物理研究所研究員，復旦大學教授 褚君浩

以下為報告全文：

第四次工業革命

18世紀，第一次工業革命起源於英國，以機械化為特徵。當時先有蒸汽機，隨著技術和性能的不斷提高，大機器生產取代手工勞動，整個世界開始機械化。進而，生產力得到解放和發展，出現擁有資產的階層，改變了世界的面貌；勞動力從農村走向城市，開始了城市化的進程。

19世紀，第二次工業革命，以電氣化為特徵。由於在實驗室裡面發現電磁學規律，從而發明了電動機和發電機。當時，美德兩國處於領先地位，電力的廣泛應用及石油的大量開採，將科學技術成就循序運用到生產中，推動了世界經濟的迅速增長，進一步改變了人民的生活方式；壟斷資本影響國家和世界的政治和經濟生活；加強了世界聯繫，同時帶來了環境汙染。

工業革命是技術和科學交叉推動，科學推動技術，技術轉化為應用，應用對技術提出要求，技術要解決問題，又想辦法從科學上來解決，以此循環。好比，第一次工業革命是從技術開始，然後到科學，再到技術。第二次工業革命就不一樣了，完全是從科學開始，然後到技術再到科學。

20世紀， 第三次工業革命，以信息化為特徵。從科學出發到技術再到科學，由此發展。通過原子物理、量子力學、固體物理、現代光學和半導體科學規律的發現，使得我們在半導體電晶體、集成電路、雷射、光纖、電磁波、巨磁阻效應等方面，得到了技術性的發展，進而促進了電子技術、微電子技術、原子能技術、光學技術、新材料技術、信息技術等一系列新興產業的發展。

新的工業革命驅動力是什麼？

1、能源和環境問題突顯, 全球可持續發展面臨巨大壓力

過去北冰洋都是冰，北極熊覓食時，在冰上打個洞，魚遊過來，就可以撈魚吃。可是，隨著冰川融化，沒有地方打洞，最終造成大熊吃小熊，這也是人們去旅遊時能看到小熊骨骼的原因。倘若北極格陵蘭島冰蓋全部融化，海平面將上升7.2米！對上海來說，浦東海拔高度和海平面距離不到2米，浦西只有3到4米。如果海平面上升7.2米，意味著浦東要全部浸到水裡去了。

2、人類不斷追求更加美好的生活

我們過去看黑白的電視，後來看彩色的電視，屏幕越來越大，將來可能會看看立體的電視。雷射全息攝影就是其中一種方案，人們也在為之研究。

3、信息科學技術高度發展為工業革命創造條件

現在基於物質科學新發現、微納米器件和製造新技術；基於腦科學和認知科學發展，促進高度智能化；數位化發展成為大數據，程序化發展到智能化，小型化發展到微納化，網絡化由機—機網絡發展到人—機—物網絡。

舉個例子，現在集成電路發展非常困難，尺寸越來越小，摩爾定律接近臨界，將來可能就要研究自旋電子學。自旋電子器件高速度、低功耗，可實現更高集成度，還能融合光、電、磁，實現存儲、計算、傳感為一體的器件，從而實現更高速的集成電路。

信息、生物、材料、能源、環境等領域的一些重大突破已出現萌芽，很多思想、理念、技術都會發生大的躍變。人類進入後IT時代，迎接智能時代。所以第一次工業革命是機械化，第二次工業革命是電氣化，第三次工業革命是信息化，第四次工業革命總趨勢就是智能化。它的特點就是智慧融入物理的實體系統裡面，簡稱智慧融物。

現在第四次工業革命有以下三個特徵：信息科學技術在物理數學生物基礎上進一步提升；多領域發現和發明多軌並行、交叉推動；信息科學技術和多領域科學技術深度融合，將信息滲透到各個領域，由此用信息技術提升能級。

新工業革命的技術態勢有六個方面：第一個，智能化分布式新能源系統、能源網際網路；第二個，智能化複雜體系、人工智慧、智慧城市；第三個，智能化製造技術、先進材料、極端製造；第四個，智能化診斷、修復技術、智慧醫療；第五個，傳統工業的智能化升級；第六個，網際網路、傳感器、物聯網、大數據。

迎接智能時代

智能時代的特點就是智能化的系統，這是它的核心。智能化的系統有三根支柱，動態感知、智慧識別、自動反應：

首先它是要動態感知，就是像我們的眼睛，耳朵等五官，可是，二維碼、條形碼不是動態的，它們是事先做好放在那裡的。所以智能化的系統裡面，我們要靠傳感器，達成動態感知，而傳感器則是代替我們五官的。

第二個就是要智慧識別，識別就是要分析，相當於我們的腦子。這裡面要靠大數據的分析，大數據的分析有兩個方面，一個是文本大數據，是現成的，另一個是物理大數據，是通過測量得到的，比如天氣預報，我們人體看B超，做CT， 要更加注重物理過程的規律、模型、方法。通過規律發現規律，事半功倍。

第三個就是要自動反應。現如今我們有基礎信息平臺，有網際網路，有物聯網，有集成電路，有晶片技術，有通訊技術5G的技術，能大大提高自動反應。例如，一個打桌球的機器人，是典型的智能化系統，因為首先它看得見桌球，這是動態感知，第二個它要算這個桌球彈起來怎麼樣，第三個是它反應，把它打回去。

在智能化的系統中，一個是人工智慧，一個是智慧地球。人工智慧在工業上已經用得非常普遍。德國慕尼黑的寶馬工廠裡，有5000個人，裡面1000個是機器人。在智慧地球裡面，包括智慧空天海地、智慧能源環境、智能製造等。「智慧地球 = 網際網路+物聯網」，這是IBM總裁的定義。溫總理在無錫有一段講話，「把所有通過物品，通過信息傳感的設備與網際網路連接起來進行智能化處理，這個就是物聯網了。」

智能系統，是在某一區域中智能化運行某一行為。比如在家庭智慧的老幼監視系統或者設備控制系統；在小區智慧的能源調控系統；在工廠智慧的物流系統等。所以智能系統是一定在一個區域內，實行一個、兩個或者三個行為。如果說區域越來越大，行為越來越多，那麼你的智慧度就越來越高。

在網際網路、物聯網、大數據和雲計算的基礎信息化技術上，智慧城市至少應該有四層架構：感知層、互聯層、分析層、反應層，進而在城市綜合管理、 交通物流貿易、能源環境安全、 醫療文化教育和城市社區安居五大方面獲得廣泛應用。

其中包含兩個核心的技術，一個是實時感知技術，是通過傳感器晶片來實現。第二個是智慧分析系統，通過模型和大數據的分析實現，比如人體心臟監視器，數據分析中心實時獲取心臟信息後發送出去，如果發現你的心電圖有什麼問題，馬上就可以採取措施，這就是智慧的醫療。

首先是傳感器，就是一個器件，它是代替我們人的眼睛、鼻子、耳朵，把光聲熱電子生物過程變成電。比如光電傳感器來說，非常重視基礎研究，它提供方法、手段、模型、理論。既然是不同運動形式的器件，我們需要發現其規律，進行在技術上提高、實現，從而做成了傳感器，這個就發展了光電晶片技術。

另外，用不同波段探測器，可以看到不同信息。因為不同的波段有不同的特徵，所以要做不同波段的探測器。比如短波紅外，可見光和近紅外，都有不同的用處。現在照相機是可見光的，如果能發現規律，能做出不同波段的探測器，其應用面將非常寬廣。波長再長就是太赫茲（THz），其應用面很廣，包括地溝油的監測，醫學二維成像，安全（爆炸物探測），雷達建模等。這裡面有核心技術，比如說要做特殊靈敏的探測器、非夲徵Ge光電探測器，場效應電晶體探測器，肖特基勢壘探測器等等。我們最近發現一個新現象：窄禁帶半導體MSM結構與THz光場相互作用，外部電磁波(光子)入射到器件上，將在半導體材料中誘導勢阱，從而束縛來自於金屬中的載流子，使得材料中載流子濃度發生改變，出現載流子集聚。

紅外，不僅可以在黑暗裡面看清圖象，同時還能看到溫度分布。我們可以用鐵電薄膜、氧化釩等，製造室溫工作的紅外探測器，根據科學道理，分析不同溫度的物體，以及對外輻射的能量分布。這也是現在疫情期間，經常用來探測體溫的。再比如說火情監控，可以通過固定式紅外監控系統、機載紅外火情預警、紅外衛星等紅外探測技術，及時準確地穿透煙霧，發現火點以及火場被困人員。

智能時代背景下光電傳感器需求，有以下幾點：少光子、單光子、光子數可分辨紅外探測器；超大規模焦平面列陣器件；不同波段光電器件；多波段融合光電器件；室溫工作紅外焦平面器件；新型讀出方式焦平面器件。要清楚材料器件結構中物理過程，並能精細描述和控制，從而提升技術水平並達成創新。

因此，傳感器是智能化系統一個非常重要的核心技術。發展高性能的傳感器晶片非常重要，用更低的成本，實現更快的速度，更智能化的應用。有了好的傳感器，就能握緊核心技術，再通過網際網路的技術，把傳感的信息傳出去加以分析，進而達成多功能集成化、無線通信化、柔性化、微型化。

第二個核心技術，就是智慧分析，模型分析，大數據分析。我們現在是處在一個波動世界裡面，空間引力波、電磁波、機械波，這個波就有頻率、強調、位相、偏振，通過對于波的分析，就可以得到很多信息。舉個例子，蘋果、櫻桃、梨、葡萄光譜不一樣。我們每個人穿的衣服光譜也不一樣，當我們獲取波譜特徵，並存入資料庫後，應用時就可以，將測量到的波譜，對比資料庫數據，即可進行分析判斷。醫學成像信息大數據，則是利用成像結合光譜，從而進行識別。所以，智能晶片則是將分析和傳感器的晶片結合在一起，採集波的特徵，製作資料庫，形成自己的系統。

重視基礎研究是非常重要的，基礎研究是歷次工業革命的科學源泉，又在歷次工業革命中得以發展。基礎研究將推動第四次工業革命發展，將在智能時代背景中催生新發現新技術。所以這也是科學 - 技術 - 科學 - 技術之間不斷應用，根據科學技術本身的規律來研究，來推動它的發展。

現在新工業革命對製造業也會有一些影響，首先，工業革命總是與科技革命相伴而生，製造業也逐漸從傳統邁向智能化時代，因為隨著工業機器人、3D列印、數位化工廠的出現，取代了人工，使勞動力成本佔總成本的比例不斷減小，使我國很多製造行業面臨生存危機，但也促進了人工智慧機器人的發展。而且將來網絡共享的經濟模式會出現分布生產模式，智慧工廠和網際網路工廠。與此同時，也會提倡低碳化、綠色的生產與生活方式，突破一些關鍵技術，其中包括可再生能源技術、儲能技術、智能電網技術、新能源技術、雲計算、物聯網這些普遍的技術，還包括很多特殊的技術、傳感的技術、分析的技術等等。

製造業轉化的趨勢，有以下五點：原來主要是靠資源和投資驅動的，現在靠技術進步。原來是生產能力的擴張，現在是技術能力的積累。原來是生產型的製造，向服務型的製造發展。原來是處在製造業價值鏈的低端向價值鏈的高端發展。原來是擠壓環境，現在是對環境友好。

關於新工業革命的應對措施，政府應該做好推進新工業革命的頂層設計。其次，要積極投資新工業革命需要的重要基礎設施，包括宏觀的新基建，還包括每個鎮、鄉、城市、省的設施。另外，要培育創新環境，推動技術創新浪潮。構建未來產業的培育體系，引導產業創新。最後，推動適應新工業革命需要的機制體制建設。其中幾方面工作要加強，第一，加強科學規律和核心技術、產業發展的三部曲。第二，加強實驗室成果的中式研發，企業要提早介入，政府要分擔風險。第三，切實加強產學研合作，建立產學研聯合實驗室、聯合研發中心，政府要引導支持。第四，要提高企業的自主創新意識，增強自主創新能力。

最後，老子曾說：「有道無術，術尚可求也。有術無道，止於術。」 莊子曾說：「以道馭術，術必成。離道之術，術必衰」。這兩句話將科學規律和技術的關係，表達得淋漓盡致。

培育創新能力

培育創新能力，對於一個單位、科學家、工程師、學生都是重要的，關鍵是人。

第一要遵循客觀規律，尤其是發現規律，開發技術，實際應用特別重要，要把關係處理好；

第二要修煉內在的素質，勤奮，有好奇心，有創新精神，要漸進，不要浮躁，有遠大志向；

第三要凝聚驅動的力量，驅動的力量非常重要的是興趣，要有興趣來做這件事，只有產生興趣才能做得最好；

第四要有責任的驅動，我們是人，有精神的驅動，責任的驅動；

最後要培養一種極致的精神，就是精益求精，一絲不苟。

（以上內容來源於中國金融信息中心）