復旦大學「國家杰青」領銜！五位學者擔任共同通訊作者，最新Nature Sensors評述：關于未來傳感器的十個問題

過去很長一段時間里，傳感器給人的印象是“檢測工具”：測溫度、測壓力、測氣體、測心率，把外界刺激轉換成電信號。但隨著材料科學、人工智能、生物醫學和柔性電子快速交叉， 傳感器正在從單純的“信號探頭”，變成能夠理解環境、參與決策、甚至與人體和機器形成閉環互動的“信息接口”。在最新一期 Nature Sensors中，復旦大學周鵬教授聯合賓夕法尼亞州立大學 Saptarshi Das教授、哈利法大學 Kinda Khalaf教授、圣安娜高等學院 Silvestro Micera教授和萊斯大學 Marcia K. O’Malley教授發表觀點論文，圍繞傳感技術未來提出了10個關鍵問題。圍繞新興傳感范式、倫理與社會層面的各類難題，以及實現實驗室科研成果落地轉化為可在現實場景穩定、可靠應用的技術所需的系統性創新展開探討。這些問題不僅關乎下一代傳感器怎么做，也關乎它們應該被用在哪里、由誰受益、又該如何避免成為新的風險來源。

哪些傳感方向即將迎來突破，卻被全球傳感界低估了？

專家們認為，未來最值得關注的并不一定是單個指標最強的傳感器，而是那些能適應、預測和交互的系統。例如，傳感信號不只來自一個穩定數值，還可能隱藏在時間變化、歷史記憶、波動模式和多模態關聯中。自供能傳感、多模態傳感、分布式低成本傳感網絡，以及能直接嵌入環境和人體的柔性材料系統，都可能成為下一輪突破口。換句話說，未來傳感器要做的不是孤立地“測一個量”，而是理解一個場景。

未來十年，哪種今天看似“不可能”的傳感能力會變成現實？

作者給出的想象非常大膽：連續、無線、多分析物的神經化學和生物電信號成像，可能同時覆蓋興奮性組織和非興奮性組織；另一類可能性是“一體化傳感系統”，不僅記錄光、熱、壓力、電活動等顯性信號，還能從稀疏、微弱、噪聲很大的數據中反推出隱藏的物理狀態。比如，在分子分辨率下進行無創生理監測，或者在極少光子和熱通量條件下完成環境感知。這意味著傳感器將不再只是“眼睛”和“耳朵”，而更像一個具備物理理解能力的小型智能系統。

傳感器微型化是否已經逼近物理極限？

答案并不是簡單的“是”或“否”。當器件越來越小，可收集的信號電荷減少，噪聲、漏電、器件差異和寄生耦合都會變得更難控制。繼續縮小尺寸，并不一定帶來更好的性能。因此，真正需要改變的是傳感器的定義。傳統傳感器只是前端換能器，而未來傳感器可能同時承擔感知、記憶、篩選、計算和特征提取功能。它將從一個被動檢測元件，轉變為一個主動的信息節點。

當傳感與生物、計算和材料科學融合，科研訓練模式該如何變化？

作者強調，單一學科訓練已不足以支撐下一代傳感技術。研究者不僅要懂材料、器件和信號，還要理解生物界面、機械耦合、數據管線、低功耗機器學習、邊緣智能、法規和規模化制造。尤其重要的是系統思維：AI不能彌補傳感階段丟失的信息，復雜算法也不能拯救糟糕的信噪比。未來需要的是“懂材料、懂系統、懂應用場景”的交叉型人才。

為什么許多實驗室傳感創新難以走向真實世界？

核心障礙在于，實驗室性能往往來自高度可控的環境，而真實應用必須面對溫濕度波動、機械應力、污染、封裝、供電、校準漂移、長期磨損和用戶操作差異。一個傳感材料在論文中靈敏度很高，并不代表它能在醫院、家庭、工廠或野外穩定工作。真正決定轉化成敗的，往往不是單一傳感機制，而是制造良率、可靠性、電子接口、數據處理、標準化和成本。

哪些新材料或混合系統會重塑傳感架構？

柔性、可拉伸、多層復合平臺被認為是關鍵方向，尤其適用于可穿戴和生物集成傳感。當傳感器貼在皮膚或進入軟組織時，機械界面本身就會影響信號質量。運動偽影、順應性不匹配和阻抗不匹配，可能比材料靈敏度更致命。因此，未來架構會更強調多模態集成、模塊化設計和異質系統協同，讓不同信號互相補充，使設備在真實環境中更穩、更耐用。

如何在不犧牲性能的前提下，讓傳感器可修復、可回收或可降解？

隨著傳感器越來越多地進入日常生活，電子廢棄物和數據能耗將成為不可回避的問題。專家建議，不能只把傳感器做得更小、更便宜，而要從全生命周期設計入手。可拆解結構、可替換模塊、生物基聚合物、自修復水凝膠、可逆互連和可回收封裝，都應成為設計原則。對于短期環境監測或臨時植入醫療設備，可降解材料非常有價值；而長期精密應用，則可能采用“可降解支撐+耐用功能元件”的混合策略。

如果AI能從噪聲信號中提取信息，我們還需要高性能傳感器嗎？

答案是仍然需要，但“高性能”的含義要更新。AI可以從弱信號、稀疏信號和低質量數據中尋找規律，但它不能憑空創造從未被捕獲的物理信息。更糟糕的是，如果前端數據不穩定或有偏差，AI還可能放大錯誤。因此，AI時代的高性能傳感器，不只是低噪聲、高分辨率，而是能捕獲正確物理信息、保留任務相關特征，并與下游算法協同優化的智能前端。

當傳感器進入身體、大腦和家庭，我們不能越過哪些倫理邊界？

這是文章中最有現實感的問題。傳感器越來越隱形：它可以穿在衣服里，植入體內，甚至被吞服。此時，知情同意、隱私、自主權、安全性、公平性和責任追蹤就不再是附加條款，而是技術設計的一部分。尤其是神經傳感和生物電傳感，可能讀取精神狀態、細胞狀態甚至疾病傾向。任何商業、醫療或政府機構，都不應在缺乏明確、細致、可撤回同意的情況下訪問這些敏感信息。

如何防止傳感技術加劇全球不平等，或成為監控工具？

作者指出，傳感技術一旦部署，就不是中性的。它決定誰被看見、誰被測量、誰獲益、誰承擔風險。如果先進傳感系統昂貴、依賴基礎設施，并集中在少數地區和機構，就可能擴大醫療、環境監測、農業和教育領域的不平等。相反，真正面向未來的傳感技術，應當更便宜、更節能、更耐用，適用于資源有限場景，并讓受影響群體更早參與設計。同時，隱私保護、端側推理、最小化數據存儲和可審計決策流程，也應成為默認配置。

總體來看，這10個問題共同指向一個判斷：傳感器的未來，不只是測得更準、更快、更小，而是從“檢測信號”走向“理解世界”。它需要新材料、新器件、新算法，也需要可制造、可維護、可治理的系統工程。更重要的是，未來傳感技術的價值不只取決于我們能測什么，還取決于我們選擇測什么、為誰而測、在什么規則下測。只有當性能、可靠性、可持續性和倫理邊界同時被納入設計，傳感器才可能真正從實驗室走向社會，成為值得信任的下一代智能基礎設施。