物联网领域“四化”提出 助推信息社会发展
- 2017/1/13 11:48:52 17184
- 来源：北京纳米能源与系统研究所
而在信息技术（IT）发展的百年历程中，从摩尔斯电码到“埃尼阿克”计算机，从晶体管到集成电路，从移动通信和Wi-Fi网到人工智能和物联网，这些技术革新深刻地改变着人类现代社会。回顾过去展望未来，中国科学院北京纳米能源与系统研究所科学家、美国佐治亚理工学院终身教授王中林提出了信息科学和物联网领域的“四化”：即微小集成化、无线移动化、功能智能化和全自驱动化，相关文章发表于新一期的《今日材料》（Materials Today，DOI: 10.1016/j.mattod.2016.12.001）期刊。
信息技术的发展经历了一个漫长的时期，可以概括为计算机通信技术、微电子技术和网络技术的历程。1836年，美国的摩尔斯发明了电报，成为通信技术的开山鼻祖。到了1946年，宾夕法尼亚大学成功研制出台计算机设备，“埃尼阿克”标志着计算机通信技术的问世。然后，人类于1948年发明了个晶体管，又于1958年研制出块集成电路，短短十年时间，便引发了一场波及的微电子技术革命。
微电子技术能够将日益复杂的电子信息系统集成在一个小小的硅片上，使电子设备向着微型集成化发展，同时促进了集成电路从中、小规模逐步发展为大规模和超大规模集成电路。紧接着1969年，美国成功组建了世界上采用分组交换技术的计算机网络，到了1986年，美国国家科学基金网NSFNET建成并于1991年促成因特网进入商业应用领域，从而使互联网得到飞跃性的发展，给整个信息技术产业以及人类社会的进步带来了重大影响。
21世纪以来，基于移动互联技术的快速发展，物联网“Internet of things（IoT）”成为新一代信息技术的重要组成部分和发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是将互联网和世界各地的任何东西（例如航运对象，货物运输商和人等）链接起来的技术驱动力，它需要广泛分布的传感器例如射频识别、红外感应器、定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，用于健康监测、平安家居、智能交通、物流供应、环境保护、基础设施监测和安全等领域。而驱动这些数以亿计传感器的能源供应是亟待解决的问题。考虑到传统电池技术有限的寿命、高维护成本和环境问题，这不是物联网供能的佳解决方案。通过从工作环境收集能量（如风、摩擦、声学、超声波、生物、流体）使设备自供电，并可持续地操作和运转，这是王中林基于2006年和2012年分别发明压电纳米发电机和摩擦纳米发电机提出自驱动系统(self-powered system)的原始动机。基于位移电流时变电场和压电/静电感应原理的纳米发电机有以下优点：低频下的高能量转化效率、小体积低成本、多种工作模式、材料的多样性、多领域应用等，使得纳米发电机在微/纳能源收集、小型化传感器和未来物联网等方面得到广泛的应用。
通过对现阶段移动互联发展趋势的深刻认识和总结，王中林提出了信息科学和物联网领域的“四化”（图1）：即微小集成化（1958-）、无线移动化（1973-）、功能智能化（~2000-）、全自驱动化（2006-），其中第四化支撑前三化。首先，在过去的半个世纪中，电子产品的小型化一直遵循摩尔定律，即芯片上的器件数量每18个月就翻倍。固态电子器件使得在单个芯片上集成许多组件成为可能。集成电路为提高可靠性、减小尺寸、提高计算速度、降低功耗等提供了基础。其次，下一个革命性的进步是无线/移动通信技术的发展。通过基于光纤的信息传输和计算机科学相结合，互联网的发展已经改变了世界的每一个角落。从1973年摩托罗拉公司推出的部手提电话到目前覆盖、人手一部的手机和GPS定位系统的普及，人们生活中无处没有移动通信。第三，在过去几十年中，通过向移动设备中添加与个人医疗保健密切相关的功能，例如随时检查心跳、测量血糖和血液、及时报道雾霾和紫外线等，人们可以充分利用现代传感器技术获得更加安全和健康的生活。
近年来的人工智能和大数据的出现，更使人们进入了功能和智能的时代。后，有一点可以确信，那就是没有能源供给，所有的电子设备都无法工作！因此，如果能够使移动电子设备自供电，使得系统可以连续地无中断地操作，这既是物联网的迫切需要，又是现代信息科学的一个巨大的驱动力。早在2006年，王中林就在《科学》杂志上撰文并提出了“自驱动”的概念（Wang,Science,312(2006)242-246），紧接着在2008年，王中林又在《科学美国人》上进一步阐述了“全自驱动化”的理论基础、实验模型和应用展望（Z.L. Wang，Scientific American，Jan.(2008)82-87）。全自驱动化摆脱了电子器件外部供能的桎梏，是未来物联网发展微小集成化、无线移动化、功能智能化的重要技术支撑和理论基础，预示着自驱动纳米科技在传感、机器人、微系统、复合能源等方面广泛的应用前景。
王中林发明的纳米发电机的初心就是支撑全自驱动系统。在文章中王中林发表了纳米发电机的三大应用方向（图2）：微纳能源，自驱动传感，蓝色能源。具体阐述为作为可持续的纳/微功率电源用于微小型设备（如电子皮肤、可植入医疗器件、可穿戴柔性电子器件等）的自供电；作为自驱动传感器用于健康监测、生物传感、人机交互、环境监测、基础设施安全等；并作为基础网络单元，在低频下收集海水运动能量直至实现蓝色无污染能源的伟大梦想。从微观尺度的能源收集到宏观高能量密度的发电，从微小的机械振动到浩瀚的海洋，纳米发电机能源系统为实现集成纳米器件和大规模能源供应打下了坚实的理论和技术基础，并将应用于物联网、卫生保健、医药科学、环境保护、国防安全乃至人工智能等诸多领域，有可能影响人类社会生活的方方面面。
（原标题：北京纳米能源所提出信息科学和物联网领域的“四化”）
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