解密纳米传感器:决胜智能化战争的关键

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它的诞生,使人类社会大步迈进智能化传感器时代。它集众多优异性能于一身,为探测纳米尺度上的微观世界提供了重要的多样化手段,将引发军事领域新的革命性影响。

  传感器技术是当今世界迅猛发展的高新技术之一,与通信技术及计算机技术共同构成信息产业的三大支柱。随着人类社会进入物联网时代,尤其是材料技术、生物技术、纳米制造技术、人工智能技术及相关产业的蓬勃发展与跨界融合,各类纳米传感器应运而生,极大丰富了传感器的理论,拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器代表了人类掌控微观世界的一种前沿技术,并成为沟通物理、化学、生物和材料科学之间的催化剂、粘合剂和效能倍增器。随着纳米传感器的广泛应用,预示着智能化社会和智能化战争时代的来临,推动着人类社会生活和军事领域的深刻变革,成为决胜智能化战争的关键。

  直达微观世界的探测仪和分析师

  纳米是一个长度单位,1纳米是1米的10亿分之一,相当于一根头发直径的8万分之一。纳米科技是指在0.1~100纳米尺度上研究物质的特性、相互作用以及利用这种特性开发相关产品的一门科学技术。

  那么,什么样的传感器可以被称为纳米传感器呢?从理论上讲,传感器大小或灵敏度达到纳米级,或者传感器与待检测物质或物体之间的相互作用距离是纳米级的,都可以称为纳米传感器。
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  20世纪90年代尤其是进入21世纪以来,微电子技术、激光技术、计算机技术、纳米材料技术、纳米制造技术、生物技术等高新技术不断交叉融合、相互促进,纳米线、纳米带、纳米纤维、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米探针、碳纳米管等制备工艺不断提高,推动了许多新型的纳米物理传感器、纳米化学传感器和纳米生物传感器不断问世,使人类社会大步迈进智能化传感器时代。

  纳米传感器根据工作原理的不同可以分为纳米物理传感器、纳米化学传感器和纳米生物传感器三大类。纳米物理传感器主要探测物质或物体力学、声学、热学、光学、电学和磁学等方面的各种变化数值;纳米化学传感器是指用于测量气体或液体类化学物质的浓度或成分的传感器;纳米生物传感器则是用来检测生物的某个过程,如抗体/抗原之间的相互作用、DNA之间的相互作用、酶的相互作用以及细胞之间的通信过程等,它对于探测物质的生物活性意义重大,比如传染病致病的细菌、炭疽等有毒生化物质。

  从上述分类可以看出,纳米传感器的涵盖范围十分宽广,用途也非常广泛,为人们了解分析纳米尺度上的微观世界和更为灵敏地探测感知宏观世界提供了重要的多样化手段,因此,它堪称直达微观世界的探测仪和分析师。

       集灵敏、智能等优异性能于一身

  与传统的传感器相比,纳米传感器由于可以在原子和分子尺度上进行操作,充分利用了纳米材料的反应活性、拉曼光谱效应、催化效率、导电性、强度、硬度、韧性、超强可塑性和超顺磁性等特有性质,因而具有许多显著特点:

  灵敏度高。用于探测有毒气体的碳纳米管传感器,利用纳米晶或多孔纳米材料可以增加与毒性气体分子接触的表面积,其灵敏度可以增加几倍。若利用氧化锡、氧化锑、氧化锌的纳米颗粒做成传感器,灵敏度也将大为提高。近来中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究人员运用碳纳米管与纳米薄膜技术,研制出具有高灵敏度、高稳定性的柔性可穿戴仿生触觉传感器——人造仿生电子皮肤,可对人体不同生理状态进行准确检测和疾病前期诊断。

  功耗小。随着微机电技术和微纳材料技术的发展,使得纳米传感器向着超微型化、智能化方向迅速发展,纳米级机器人传感器已经可以通过血液注入的方式进入人体,对人体的生理参数进行实时监测,并有望对于癌变细胞、致病基因进行靶向精确治疗。与传统传感器相比,纳米传感器还可具有自供电能力、从环境中收集光辐射和电磁辐射能量的能力。

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  成本低。随着纳米材料制备技术的成熟,制造过程的可重复性和批量化生产已不存在太大的问题,纳米传感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化节点的纳米传感器进行大量布撒,可以形成无线纳米传感器网络,这一优势可以使纳米传感器的探测能力大大扩展,为气候监测与环境保护等领域带来革命性的变化。

  多功能集成。传统的传感器一般为具有单一功能的传感器,纳米传感器则可以将成千上万的具有不同功能的纳米传感器组成的阵列加工在一个小微型化芯片上,使其具有多功能探测与分析能力,并具有越来越强大的数据处理、存储与分析的能力,若与互联网相连接,还将具备数据远程分析处理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分简便。

  纳米传感器的这些特点将使其在构建各类物联网的进程中拥有可观的发展前景和巨大的应用潜力,纳米传感器技术也有望成为推动世界范围内新一轮科技革命、产业革命和军事革命的“颠覆性”技术。

       决胜智能化战争的重要支撑

  随着纳米科技的迅猛发展,纳米传感器目前已广泛应用在航空航天、军事工程、工业自动化、机器人技术、海洋探测、环境监测、医疗诊断等领域。有专家认为“谁征服了纳米传感器,谁就几乎征服了现代科学技术”。特别是在军事领域,纳米传感器的应用将深刻改变未来战争的面貌,成为决胜智能化战争的重要支撑。

  强大的战场感知能力。纳米传感器在军事上的广泛应用,可以极大促进陆上、空中、水面、水下、太空等作战平台之间的信息融合,生成完整、精确、实时的战场态势图,极大提升针对战场环境、武器装备状态的更加精确的感知能力,还可以对战场人员的生理状态进行实时监测,最大限度地实现宏观战场和微观战场的完全透明。

  精准的指挥控制决策能力。现代战争的指挥决策依赖准确的信息情报,纳米传感器不仅具有高灵敏度的探测感知能力,而且内置的微型处理器可以及时分析处理获取的信息,若再与大数据技术、云计算技术相结合,将为指挥控制决策提供不同层次不同领域的信息支撑,通过信息优势赢取决策优势,抢占作战行动的先机。目前外军重视开发战场云计算系统,就是要充分利用各类新型传感器的信息获取能力。

  敏捷的精确打击能力。未来战争,无人机、无人车、无人艇等无人化作战平台将越来越多地走上战争前台,纳米传感器的大量应用,将使无人化作战平台的侦察、打击能力更加敏捷化、智能化。如纳米传感器用于精确打击导弹的引信,可以显著提高导弹的命中精度,运用微纳米传感器研制的微型惯导器件,可以具有不依赖卫星的精确的导航定位与授时能力,将有效提高现有武器装备的战场突防、战场生存和水下作战能力。

  智能化的保障能力。随着物联网时代的到来,军事装备设施也将越来越多地实现网络化智能化监测管理。纳米传感器的应用将使军事物联网拥有强大的感知监测能力,可大幅提高军事装备、设施的全资产可视化水平,对武器装备进行状态监测、故障诊断和维修管理。此外,嵌在军服或数字化士兵系统中的纳米生化传感器可以监视士兵的心率、血压、体温等生理特征,以及辨识体表受伤流血部位,并使该部位军服膨胀或收缩,起到止血带的作用。

  不断拓展人的认知能力。战斗力是人、武器以及人与武器的结合,拓展人的认知能力成为战斗力提升的有效途径。近年来,外军通过研发嵌入纳米传感器的生物信息芯片、纳米机器人和脑机接口装置,可以有效提高人的记忆力、反应能力和视觉、听觉灵敏度,提升作战人员的战场感知和快速处置能力。

 

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