仿生嗅觉和味觉传感技术的研究现状与进展

仿生嗅觉和味觉传感技术的研究现状与进展

目录

摘要 (3)

1、仿生技术发展概况 (2)

2、嗅觉仿生传感器 (6)

2.1仿生嗅觉传感器的研究现状和进展 (6)

2.2生物嗅觉的机理及仿生嗅觉系统 (7)

2.2.1生物嗅觉机理 (7)

2.2.2.仿生嗅觉系统 (8)

2.3电子鼻仿生信息处理技术研究进展 (10)

2.3.1仿生电子鼻的基本结构与工作原理 (11)

2.3.1仿生电子鼻在食品鉴评中的应用 (11)

3、味觉仿生传感器 (12)

3.1、味觉传感器的机理及其研究 (12)

3.2、电子鼻仿生信息处理技术研究进展 (14)

3.2.1、电子舌的机理及其分类 (14)

3.2.1、电子舌技术在食品领域的应用 (15)

4、结语 (17)

参考文献 (18)

摘要

人体是各种传感器云集之处, 这些人体传感器具有灵敏度高、选择性好、集成度高等特点。因此模仿人体的生物感受器研制仿生传感器成为传感技术的一个重要发展方向。评述目前国际上仿生传感技术的研究进展。

电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问。几乎所有动物,不论是高级的还是低级的,都具有对周围环境中的化学刺激- 气味进行感知并作出适当反应的能力。本文介绍了电子鼻技术的研究历史、研究现状与发展趋势。最后展望了其未来应用前景。随着现代科学技术和科学理念的不断发展。电子鼻作为一个新兴技术它必将给众多领域带来一次技术革命, 也将逐步走向实用。

关键词：仿生传感技术；电子鼻和舌；发展趋势；应用前景

仿生嗅觉和味觉传感技术的研究现状与进展

1、仿生技术发展概况

自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物,每种生

物都拥有神奇的特性与功能,因而能够在复杂多变的环境中生存下

来。仿生学(Bioncis)就是以生物为研究对象,研究生物系统的结构性质、能量转换和信息过程,并将所获得的知识用来改善现有的或创造

崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的科学,是生物科学与工程

技术相结合的一门综合的边缘学科。通过研究、学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机构,可以使新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程具有某些生物的特性和功能,从而极大地

提高人类对自然的适应和改造能力,并产生巨大的社会经济效益。

20世纪60年代,国际上兴起一门新的综合性学科一仿生学, 它

是建立在生物学、电子学、生物物理学、控制论、人机学、数学、心理学以及自动化技术基础上的, 利用电子学、机械技术研究生物结构, 对能量转换和信息流动的过程进行模拟, 从而达到改善和创造崭新

的自动控制装置的目标。仿生传感器是通过研究和利用生命有机体的分子和结构来设计和改进传感器和工艺, 使传感器具有某些生物的

独特性能。其研究工作大部分是跨学科的,不但涉及基础学科如物理、化学和生物学, 还涉及到一些专门学科, 如材料科学、电子工程学和计算机科学等。仿生传感器研究的目标是开发人体感觉器官的替代品, 其特点是能够模拟某些生物体功能, 像人体感觉器官那样工作, 发

出信息、产生响应。其应用领域遍及生物医学中人体感受器官的诊断和修复、智能机器人、食品、环境、大气污染的监测、军事安全、化学和生物武器以及反恐怖等十分广泛的领域。如具有仿生功能的人工眼、人工耳、人工鼻、人工舌以及人工皮肤用于人体感受器官损伤的修复和替代; 用于现场对食品和环境质量进行快速检测和鉴别的电子鼻和电子舌。在化学和生物战中, 仿生传感器能对其所怀疑的病菌实行快速监控, 使人们尽早检出病菌。在未来的小型、微型甚至纳米机器人中, 如模拟蜜蜂、蝴蝶甚至嶂螂的小型机器昆虫将配备众多的仿生传感器。

近年来, 随着生物医学和微电子加工技术的快速发展和人类生活质量的不断提高, 用仿生技术研制各种具有感觉功能的用于损伤修复的人工器官得到子决速的发展。国际上仿生传感器研究首先是从检测和识别物理量开始的, 特别是在人工视觉、人工听觉和人工触觉的研究方面呈现非常活跃的局面。随着生命科学和人工智能研究的快速发展, 使人们对探索和模仿动物及人类的嗅觉和味觉功能在技术上有了可能, 同时, 随着生物医学领域对体味、体液快速分析检测和环境中微量、痕量元素检测需要的增长, 人们对电子鼻和电子舌这类快速分析诊断仪器的需求日益增长。

2、嗅觉仿生传感器

2.1仿生嗅觉传感器的研究现状和进展

人们知道，动物是凭借灵敏的鼻子来闻出各种各样不同的气体，并做出相应的生理反应的。我们的鼻腔内壁上虽然只有大约1000 个类似于气敏传感器的气体接受细胞组，但它却能辨别出种类达数以千计的不同气味（嗅觉一般的人能闻出4000多种气体，嗅觉灵敏的人可以闻出10000多种气体）。最新的研究表明嗅觉的产生是由多个嗅觉细胞组合起来共同对某种气味进行“探测”的结果。每一种不同

的组合，感知一种不同的气味,由于组合方式多种多样，因此动物能辨别大量不同的气味。目前仿生嗅觉的研究趋势是利用具有交叉式反应的气敏元件组成一定规模的气敏传感器阵列来对不同的气体进行

信息提取，然后将这些大量复杂的数据交由计算机进行模式判别处理。

对于嗅觉的敏感机理,人们建立了许多模型, 但具体细节仍处于摸索中。国际上有关嗅觉和味觉的研究始于上世纪60年代。一方面, 生物学家、神经生理学家以及化学家,在嗅觉和味觉的神经传导机理方面进行了长期的摸索和研究, 提出众多的设想、模型和实验分析, 如美国MIT大学的神经生理学家Freeman教授对嗅觉模型进行了几十年的研究。另一方面, 从事分析化学、电子学、仪器科学等工程类的学者, 广泛开展了有关气体和离子传感器的研究和仪器研制,在许多领域开发出了具有嗅觉和味觉部分功能的分析仪器。因此,目前国际

上有关气体检测的传感器和分析仪器种类繁多,但真正具有仿生功能的电子鼻还大多处在实验室阶段。比较早提出具有仿生人工嗅觉的是英国著名的生物化学家Persand,他与warwick大学的英国著名工程学家Gardner 教授合作,并在Nature杂志上发表了仿生人工嗅觉的设想。

2.2生物嗅觉的机理及仿生嗅觉系统

2.2.1生物嗅觉机理

嗅觉对动物的生存至关重要,是其鉴别食物、选择配偶、标记领地和躲避敌人等的重要信息来源,其他感觉系统无法替代。哺乳动物嗅觉感知由解剖和功能上独立的两部分完成,即犁鼻器系统和主嗅觉系统。前者主要接受信息素的刺激,引起机体内分泌变化,引发一系列生殖和社会行为。

自然界中的气味通常是由多种不同结构和性质的气味分子(odorant)组成的混合物，机体感受的是它们共同作用的综合效应。气味感受器位于鼻腔上部的嗅上皮,主要由嗅神经元(OSN)、支持细胞和基底细胞等组成,其中嗅神经元是双极细胞,它的树突到达嗅上皮

表面后末端变成圆形膨大,并发出数十根纤毛伸入表面黏液中。纤毛的质膜上存在气味受体,它在氨基酸序列上具有7个螺旋状跨膜结构,属于G蛋白偶联受体。气味受体基因是成员数目庞大的超家族, 但每个嗅神经元只表达其中一种受体基因。嗅上皮存在4个独立的空间区域,氨基酸序列具有高度同源性的气味受体倾向于分布在相同区域,

但在特定区域内含不同气味受体的嗅神经元又随机分布,以提高对嗅质各个方位上的敏感性。气味分子与受体是以某些化学官能团的配位

方式作用的, 使得

同种气味受体可以

接受多种不同气味

分子的刺激, 或者

说一种气味分子可

以兴奋若干不同的

嗅神经元(图 1)。

“专一表达、分区排

列、随机分布、交叉

配位”的特点让机体在嗅上皮中完成了对不同信息分子的最初选择性和初步的空间编码。

2.2.2.仿生嗅觉系统

电子鼻是受生物嗅觉原理的启发,将现代传感技术、电子技术和模式识别技术等工程手段紧密结合研制成的新颖仿生检测仪器.通常,样品挥发的气味与阵列中多个气敏传感器反应,将化学信号转换成电

信号,然后经过一系列放大降噪调理、基线校准或归一化等预处理过程,获取并增强该样品所对应的综合指纹信息,再从中提取合适的特

征输入到特定的模式识别算法,最终完成对样品的定性或定量辨识(图 2)。与生物嗅觉的结构和功能相比较,电子鼻气室内的气敏传感器阵列相当于鼻腔上的嗅上皮, 具有交叉敏感的化学传感器则相当

于对多种气味分子敏感的嗅神经元,其作用都将气味的化学信息转换为电信息;预处理的功能类似于嗅球内信号的整合与增强;模式识别

原理,特别是人工神经网络(ANN)方法,则一定程度上模拟了大脑皮层信息编码、处理和存储等过程。

气敏传感器阵列实现了气味信息从样品空间到测量空间的转换, 是电子鼻信息处理的关键环节。不同传感原理和制作工艺的气敏传感器丰富了电子鼻对气味信息的获取途径, 常用的有金属氧化物半导

体(MOS),石英晶体微天平(QCM)、导电聚合物(CP)、声表面波(SAW)等。构建阵列的传感器除了应该满足响应快且可逆、重复性好,灵敏

度高等条件,还必须对各种气味广谱敏感(弱选择性),并且阵列中各

传感器对同种气味要交叉敏感,以保证从有限数量的传感器中获取更

多的气味信息。通常,从传感器阵列中获取的原始信号数据量很大,

需要先对其进行特征提取,将模式从较高维的测量空间变换到较低维

的特征空间,而模式识别过程则是将特征空间划分为分类空间的过程, 它是电子鼻智能化的核心单元(图 2)。

2.3电子鼻仿生信息处理技术研究进展

电子鼻技术是探索如何模仿生物嗅觉机能的一门学问。电子鼻是

用来区分和辨别复合气味的, 能够再现嗅觉感官的结构和原理。随着

社会的发展,人的嗅觉器官在日常生活中的重要性有所下降,但嗅觉

在食品工业、环境检测、医疗卫生、药品工业、安全保障、公安与军

事等方面的重要性却与日俱增。基本上, 电子鼻包括一组传感器和一

个数据分析系统。传感器的作用就像生物受体一样, 而数据分析系统

可以将传感器从气味获得的信息转换为“嗅觉图象”, 类似于我们的

嗅觉。能够将气味进行区分和比较是因为不同的气味具有不同的嗅觉

图象, 这就使得电子鼻有别于其它的分析技术, 比如: 气相色谱,它

可以区分和测量气体混合物中的单分子级别。电子鼻将气味识别为一

个整体, 在单个嗅觉图象中揭示不同分子种类的综合作用。它与人和

动物的鼻子一样, “闻到”的是目标物的总体气息。电子鼻技术的研

究涉及材料、精密制造工艺、多传感器融合、计算机、应用数学以及各具体应用领域的科学与技术,具有重要的理论意义和应用前景。2.3.1仿生电子鼻的基本结构与工作原理

仿生电子鼻是模拟人类的嗅觉系统，设计研制的一种智能电子仪器，可适用于许多系统中测量一种或多种气味物质的气体敏感系统。其基本结构与工作原理如下：

1）气体传感器阵列

它由具有广谱响应特性、较大的交叉灵敏度以及对不同气体有不同灵敏度的气敏元件组成。工作时气敏元件对接触的气体能产生响应并产生一定的响应模式。他相当于人类鼻子的嗅觉受体细胞。

2）信号预处理单元

它对传感器的响应模式进行预加工，以达到漂移补偿、信息压缩和降低信号（随样品）起伏的目的，完成特征提取的任务。

3）模式识别单元

对信号预处理单元所发出的信号做进一步的处理，完成对气体信号定性和定量的识别。包括数据处理分析器、智能解释器和知识库。他相当于人类的大脑。

2.3.1仿生电子鼻在食品鉴评中的应用

果蔬通过呼吸作用进行新陈代谢而变熟，因此在不同的成熟阶段，其散发的气味会不一样，所以可以通过闻其气味来评价水果的成

熟度。虽然人可通过嗅闻果蔬气味来判别果蔬成熟度，但人类能够感受出的气味是有限的，特别是在区分相似的气味时，人的辨别力受到了限制。通过一些理化指标也可以检测果蔬的成熟程度，但这些指标的检测都会损坏果蔬的完整性。应用仿生电子鼻技术可对果蔬成熟度可进行无损检测。现在仿生电子鼻无损检测果蔬成熟度主要集中在梨、香蕉、柑橘、苹果等水果上。仿生电子鼻除了在鉴评果蔬成熟度方面的应用外，还可应用到奶酪、肉制品等的成熟度鉴评方面。

仿生电子鼻在食品感官鉴评方面已有很多研究，但是他的实际应用还不是很多，投入市场的产品也很少，不过，随着科学技术和科学理念的不断发展，仿生电子鼻作为一门新兴技术，必将带来更多、更大、更广泛的应用。

3、味觉仿生传感器

3.1、味觉传感器的机理及其研究

本世纪发展起来的测量味觉化学传感器是离子选择性电极选择性发展的结果。然而,仅有几种类型的这样的化学传感器可以成为选择性的传感器。最近十年,一个新的概念,即应用一个非选择性的味觉传感器阵列和根据模式识别的特殊的数字信号处理方法(如人工神经网络、主元分析PCA 等)作为模拟人和生物的电子舌, 已由俄罗斯的Yu.G .Vasov 教授等人在1995年提出,并列人了俄罗斯和意大利

Damico教授的国际合作项目。其后,日本的TOKO教授等人也提出了类似的电子舌概念。

人的味蕾约有900个,每个味蕾中包含有40 -60个味细胞。味蕾的大小约50μm-70μm,每一味蕾由支持细胞及5-18个毛细胞构成,后者即为味觉感受器。每一感受器细胞有许多微绒毛突出于味孔,此为味蕾在舌头上皮表面的开口,感受神经纤维的无髓鞘末梢紧密缠绕感受器细胞。每一味蕾约有50 条神经纤维, 而每一神经纤维平均接受5 个味蕾的输人。

研究不同味觉刺激在味感受器细胞和传人神经纤维引起的电反应时得到的结果, 使我们对味觉信息编码规律有较深入理解。在记录单条味觉传人纤维的传人冲动时发现,一条神经并不只对一种基本味觉刺激起反应。如对咸有反应的纤维对酸也有反应,对酸有反应的纤维对苦也有反应等。这说明一种味道并不是简单的由一条或一组只对这一味道起反应的纤维传向中枢的。研究也发现, 每个味觉细胞几乎对四种基本味觉刺激都起反应, 但在同样克分子浓度的情况下,只有一种刺激能引起最大的感受电位, 其他三类刺激则只引起幅度较小的感受电位。由此我们可得出结论, 中枢“判别”感受器受了何种刺激, 不可能单纯根据来自对某种刺激的敏感性很好的那些传月亘路的传人信号的高低,而是必须同时对照来自那些对这一刺激并不敏感的传入通路的传入信号的高低。每种刺激在对四种基本刺激的敏感睦各不相同的传人纤维上引起的传入冲动数量多少的组合形式是各有

特异性的。由此可见,通过对于各具有一定特异性的信息通路的组合形式的对比,是中枢分辨外界刺激的某些属性的基础。

3.2、电子鼻仿生信息处理技术研究进展

3.2.1、电子舌的机理及其分类

随着国内外对电子舌研究的深入, 有研究人员给电子舌定义为: 电子舌是由具有非专一性、弱选择性、对溶液中不同组分(有机和无机, 离子和非离子)具有高度交叉敏特性的传感器单元组成的传感器阵列, 结合适当的模式识别算法和多变量分析方法对阵列数据进行处理, 从而获得溶液样本定性定量信息的一种分析仪器。电子舌技术在食品领域的应用研究开展的越来越广泛。

根据不同的原理,电子舌(味觉传感器)的类型主要有膜电位分析的味觉传感器、伏安分析味觉传感器、光电方法的味觉传感器、多通道电极味觉传感器、生物味觉传感器、基于表面等离子共振(SPR)原理制成的味觉传感器、凝胶高聚物与单壁纳米碳管复合体薄膜的化学味觉传感器、硅芯片味觉传感器以及SH-SAW(Shear horizontal surface acoustic wave)味觉传感器等。

膜电位分析味觉传感器基本原理是在无电流通过的情况下测量膜两端电极的电势, 通过分析此电势差来研究样品的特性。这种传感器的主要特点是:操作简便、快速,能在有色或混浊试液中进行分析, 适用于酒类检测系统。因为膜电极直接给出的是电位信号,较易实现连续测定与自动检测。其最大的优点是选择性高, 缺点是检测的范围

受到限制,如某些膜电极只能对特定的离子和成分有响应,另外,这种感应器对电子元件的噪声很敏感,因此,对电子设备和检测仪器有较高的要求。

生物味觉传感器是由敏感元件和信号处理装置组成,敏感元件又分为分子识别元件和换能器两部分,分子识别元件一般由生物活性材料,如酶、微生物及DNA等构成。

多通道味觉传感器用类脂膜构成多通道电极制成的,多通道电极通过多通道放大器与多通道扫描器连接,从传感器得到的电子信号通过数字电压表转化为数字信号,然后送入计算机进行处理。基于凝胶高聚物的单壁纳米碳管复合体薄膜的化学传感器,采用阻抗法测量传感器在不同液体中的频率响应,最后对数据用主成分分析法进行模式识别,较好的区别酸、甜、苦、咸等味道。

3.2.1、电子舌技术在食品领域的应用

1）在酒类识别中的应用

俄罗斯Legin,长期从事电子舌在酒类辨别和质量评价方法的研究。利用由30个传感器阵列组成的电子舌检测不同的矿泉水和葡萄酒, 能可靠地区分所有的样品。重复性好, 两周后再次测量结果无明显的改变。再对33种品牌的啤酒进行测试, 电子舌采集到的信息可以清楚地反映各种啤酒的味觉特征。这些样品并不需要经过预处理, 因此这种技术能满足生产过程在线检测的要求。2005年他又研究了基于伏安电化学传感器的电子舌来区分伏特加酒、酒精和白兰地酒。

这种电子舌系统可以很好地检测伏特加酒中是否有污染物存在, 并可以判断其含量否超过国家安全标准,它还可以辨别来自同一个厂家,不同的纯度,不同添加物的十种规格的伏特加酒,可以区分人工合成的酒精和谷物酿造的酒精,以及它们的不同等级。此外,他还用这种电子舌对几种不同的白兰地酒,包括新酿造的和陈年的酒,用不同蒸馏方法生产的酒,甚至用不同的橡木酒桶装的酒进行了区分。可见, 电子舌检测是一种很有应用前景的快速评价酒品质的分析方法。

米酒品质好坏评价主要基于口感、香气和颜色3个因素,而对于口感的评价是二者中最难做到的。Satoru liyama等利用味觉传感器和葡萄糖传感器对日本米酒的品质进行了检测, 该味觉传感器阵列由8个类脂膜电极组成。利用主成分分析法进行模式识别和降维, 最后显示出两维的信号图,分别代表了滴定酸度和糖度含量,电子舌的信号输出值与滴定酸度、糖度之间具有很大的相关性。由此,对米酒的甜度预测做出了数学模型。

2）在乳品工业中的应用

来源不同的原料乳具有不同的品质,所以要把它们区分开来。F Winquist的研究表明利用伏安分析的电子舌(Voltammetric electronic tongue)可以对进厂的原料乳进行监控。这些原料乳来自不同的农场或农户,在运输过程中需要放在一个储藏罐中,个别原料乳的污染,会导致大规模的原料乳污染。因此,检测不合格原料乳的检测是一个重要环节。不合格的原料乳包括发酸的、咸味过浓、有腥臭味、有杂质的、氧化的、腐臭的和存在化学残留的原料乳等。此外,

不同饲料(如未干秣草、苜蓿、干草)喂养的奶牛产的奶也有差别,原料乳品质的变化还具有季节性。电子舌可以来快速检测所有不同来源的原料乳和不合格原料乳,这是一种非常有意义的安全检测手段。4、结语

向大自然学习，向人体自身学习是仿生学永恒的主题, 也是仿生传感技术的发展方向。我们目前进行的工作是研究基于生物和芯片结合技术的仿生传感器, 如嗅觉和味觉细胞的集成阵列芯片, 从而使我们有可能在细胞和分子水平上研究嗅觉和味觉的响应和神经传导机理, 为仿生人工嗅觉和人工味觉的研制提供新的技术手段。同时细胞芯片技术还可用于研究嗅觉和味觉感受器的神经传导机理和模型, 以及气味和味道刺激下嗅觉和味觉细胞的响应过程的动态实时检测等。此外, 细胞芯片集成制造技术另一个广泛的应用是在细胞水平下研究嗅觉和味觉神经损伤后的修复过程, 即为嗅觉和味觉的功能损伤修复和人工鼻与人工舌的替代做前期的准备。可以预见, 仿生传感技术在未来的生物医学、康复工程以及医疗保健、环境检测等领域将发挥越来越重要的作用。

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生物传感器的研究现状及应用

生物传感器的研究现状及应用 生物传感器？这个熟悉但又概念模糊的名词最近不断出现在媒体报道上，生物传感器相关的研究项目陆续获得巨额的研究资助，显示出越来越受重视的前景。要掌握生命科学研究的前研信息，争取好的研究课题和资金，你怎能不了解生物传感器？ 让我们来看看生物通最近的一些报道： 英国纽卡斯尔大学科学家研发了可用于检测肿瘤蛋白以及耐药性MASA细菌的微型生物传感器。该系统利用一个回旋装置来检测，类似导航系统和气袋的原理。振荡晶片的大小类似于一颗尘埃尺寸，有望可使医生诊断和监测常见类型的肿瘤，获得最佳治疗方案。该装置可以鉴定肿瘤标志物－蛋白以及其它肿瘤细胞产生的丰度不同的生物分子。该小组下一步目标是把检测系统做成一个手持式系统，更加快速方便地检测组织样品。欧共体已经拨款1200万欧元资金给该小组，以使该技术进一步完善。 苏格兰IntermediaryTechnologyInstitutes计划投资1亿2千万英镑发展“生物传感器平台（BiosensorPlatform）”——一种治疗诊断技术。作为将诊断和治疗疾病结合在一起的新兴疗法，能够在诊断的同时，提出适合不同病人的治疗方案，可以降低疾病诊断和医学临床的费用与复杂性，同时具备提供疾病发展和药品疗效成果的能力。目前该技术已被使用在某些乳癌的治疗上，只需在事前做些特殊的测试，即可根据结果决定适合的疗程。这个技术更被医学界视为未来疾病疗程的主流。 来自加州大学洛杉矶分校的研究者使用GeneFluidics开发的新型生物传感器来鉴定引起感染的特定革兰氏阴性菌，该结果表明利用微型电化学传感器芯片已经可以用于人临床样本的细菌检查。GeneFluidics'16-sensor上的芯片包被了UCLA设计的特异的遗传探针。临床样本直接加到芯片上，然后其电化学信号被多通道阅读器获取。根据传感器上信号的变化来判断尿路感染的细菌种类。从样品收集到结果仅需45分钟。比传统方法（需要2天时间）

传感器技术的研究现状

传感器技术综述 Luqingsong@https://www.wendangku.net/doc/1a292480.html, 摘要：本文简介了传感器技术的原理、分类和应用，以位移传感器为例概述了传感器技术的研究现状，在此基础上分析了我国传感器技术发展中存在的问题和解决方法，分析了传感器技术的发展方向。 关键词：传感器技术应用研究发展方向 1传感器 传感器是一种检测装置，一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调节也转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器通常可以按照一系列方法进行分类。根据用途分类，传感器常以测别的物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等；根据工作原理分类，传感器可以依据工作原理进行命名，如振动传感器、磁敏传感器、生物感器等；按输出信号，可分为模拟传感器和数字传感器等；还可按照传感器的制造工艺、构成、作用形式等进行分类。[1] 随着微电子技术、微机械加工技术、光电科学以及当代生物科学等高新技术的推动下，传感器己经从过去单一功能转变为功能多样、科技含量高的新型产品。传感器技术是当前代表国家综合科研水平的重要技术，传感器技术的具体应用是传感器技术转化的重要途径和方法。其所涉及的知识领域非常广泛，研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。 2主要传感技术分类[2][5] 2.1光电传感技术 光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器，它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越特性。随着光电科技的飞速发展，光电传感器己成为光电传感器己成为各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，并在传感器应用中占据着重要的地位，其中在非接触式测量领域更是扮演者无法替代的角色。光电传感器工作时，光电器件负责将光能(红外辐射、可见光及紫外辐射)信号转换为电学信号。光电器件不仅结构简单、经济性好，且具有响应快、可靠性强等优势，在自动控制、智能化控制等方面应用前景十分广阔。此外，光电传感器除了对光学信号进行测量，还能够对引起光源变化的构件或其它被测量进行

耐磨材料的现状及未来发展趋势

耐磨材料的发展现状及未来发展趋势 正因为这些由本征特性TC、HC2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高TC超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。 能源材料太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40％。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50％用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。 生态环境材料生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOX、NOX催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；③材料的环境协调性评价。 智能材料智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的耐磨材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。 2、国内耐磨材料发展的现状和差距 我国非常重视耐磨材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，耐磨材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种耐磨材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在耐磨材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土耐磨材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等耐磨材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢

(完整版)传感器的目前现状与发展趋势综述

传感器的目前现状与发展趋势 吴伟 1106032008 材控2班 摘要：传感器是高度自动化系统乃至现代尖端技术必不可少的一个关键组成部分。传感器技术是世界各国竞相发展的高新技术，也是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。本文首先介绍了传感器的基本知识和传感器技术的发展历史。之后，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究状况。最后，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 关键词：传感器技术；传感器；研究现状；趋势 引言 当今社会的发展，是信息化社会的发展。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的“大脑”，把通信系统比喻为传递信息的“神经系统”，那么传感器就是感知和获取信息的“感觉器官”。 传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置。现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 1 传感器的基本知识

1.1 传感器的定义和组成 广义地说，传感器是指将被测量转化为可感知或定量认识的信号的传感器。从狭义方面讲，感受被测量，并按一定规律将其转化为同种或别种性质的输出信号的装置。传感器一般由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成，其中敏感元件和转换元件可能合二为一，而有的传感器不需要辅助电源。 1.2 传感器技术的基本特性 在测试过程中，要求传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。被测量有两种形式：一种是稳定的，称为静态信号；一种是随着时间变化的，称为动态信号。由于输入量的状态不同，传感器的输入特性也不同，因此，传感器的基本特性一般用静态特性和动态特性来描述。衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素，如温度传感器的热惯性等，动态特性还与传感器输入量的变化形式有关。 2 传感器技术的发展历史与回顾 传感器技术是在20世纪的中期才刚刚问世的。在那时，与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段，并没有投入到实际生产与广泛应用中，转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。然而，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，以日本和欧美等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了重要的份额。 我国从20世纪60年代开始传感技术的研究与开发，经过从“六五”到“九五”的国家攻关，在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得长足的进步，初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了一批可喜的、为世界瞩目的发明专利与工况监控系统或仪器的成果。但从总体上讲，它还不能适应我国经济与科技的迅速发展，我国不少传感器、信号

国内外研究现状及发展趋势

国内外研究现状及发展趋势 世界银行2000年研究报告《中国：服务业发展和中国经济竞争力》的研究结果表明，在中国有4个服务性行业对于提高生产力和推动中国经济增长具有重要意义，它们是物流服务、商业服务、电子商务和电信。其中，物流服务占1997年服务业产出的42．4％，是比重最大的一类。进入21世纪，中国要实现对WTO缔约国全面开放服务业的承诺，物流服务作为在服务业中所占比例较大的服务门类，肯定会首先遭遇国际物流业的竞争。 物流的配送方式从手工下单、手工核查的方式慢慢转变成现今的物流平台电子信息化管理方式，从而节省了大量的人力，使得配送流程管理自动化、一体化。 当今出现一种智能运输系统，即是物流系统的一种，也是我国未来大力研究的方向。它是指采用信息处理、通信、控制、电子等先进技术，使人、车、路更加协调地结合在一起，减少交通事故、阻塞和污染，从而提高交通运输效率及生产率的综合系统。我国是从70年代开始注意电子信息技术在公路交通领域的研究及应用工作的，相应建立了电子信息技术、科技情报信息、交通工程、自动控制等方面的研究机构。迄今为止以取得了以道路桥梁自动化检测、道路桥梁数据库、高速公路通信监控系统、高速公路收费系统、交通与气象数据采

集自动化系统等为代表的一批成果。尽管如此，由于研究的分散以及研究水平所限，形成多数研究项目是针对交通运输的某一局部问题而进得的，缺乏一个综全性的、具有战略意义的研究项目恰恰是覆盖这些领域的一项综合性技术，也就是说可以通过智能运输系统将原来这些互不相干的项目有机的联系在一起，使公路交通系统的规划、建设、管理、运营等各方面工作在更高的层次上协调发展，使公路交通发挥出更大的效益。 1.国内物流产业发展迅速。国内物流产业正处在前所未有的高速增长阶段。2008年，全国社会物流总额达89.9万亿元，比2000年增长4.2倍，年均增长23%；物流业实现增加值2万亿元，比2000年增长1.9倍，年均增长14%。2008年，物流业增加值占全部服务业增加值的比重为16. 5%，占GDP的比重为6. 6%。预计“十一五”期间，我国物流产业年均增速保持在15%以上，远远高于美国的10%和加拿大、西欧的9%。 2.物流专业化水平与服务效率不断提高。社会物流总费用与GDP 的比例体现了一个国家物流产业专业化水平和服务效率。我国社会物流总费用与GDP的比例在近年来呈现不断下降趋势，“十五”期间，社会物流总费用占GDP的比例，由2000年的19.4%下降到2006年的18. 3%；2007年这一比例则下降到18. 0%，标志着我国物流产业的专业化水平和服务效率不断提高。但同发达国家相比较，我国物流

压力传感器研究现状及发展趋势

压力传感器研究现状及发展趋势 传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点,可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外,还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。 1 压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的发展可以分为四个阶段[1 ] : (1) 发明阶段(1945 - 1960 年) :这个阶段主要是以1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯(C.S. Smith) 与1945 发现了硅与锗的压阻效应[2 ] ,即当有外力作用于半导体材料时,其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即将力信号转化为

电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。 (2) 技术发展阶段(1960 - 1970 年) :随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001) 或(110) 晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯[3 ] 。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点,实现了金属- 硅共晶体,为商业化发展提供了可能。 (3) 商业化集成加工阶段(1970 - 1980 年) :在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术[4 ] ,主要有V 形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀,数千个硅压力膜可以同时生产,实现了集成化的工厂加工模式,成本进一步降低。 (4) 微机械加工阶段(1980 年- 今) :上世纪末出现的纳米技术,使得微机械加工工艺成为可能。 通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器,其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜,使得压力传感器进入了微米阶段。 2 压力传感器国内外研究现状 从世界范围看压力传感器的发展动向主要有以下几个方向。 2. 1 光纤压力传感器[5 ]

机器学习研究现状与发展趋势

机器学习研究现状与发展趋势 计算机科学与软件学院 引言: 机器能否象人类一样能具有学习能力呢？1959年美国的塞缪尔(Samuel)设计了一个下棋程序，这个程序具有学习能力，它可以在不断的对奕中改善自己的棋艺。4年后，这个程序战胜了设计者本人。又过了3年，这个程序战胜了美国一个保持8年之久的常胜不败的冠军。这个程序向人们展示了机器学习的能力，提出了许多令人深思的社会问题与哲学问题。 机器学习的研究是根据生理学、认知科学等对人类学习机理的了解，建立人类学习过程的计算模型或认识模型，发展各种学习理论和学习方法，研究通用的学习算法并进行理论上的分析，建立面向任务的具有特定应用的学习系统。这些研究目标相互影响相互促进。 机器学习是关于理解与研究学习的内在机制、建立能够通过学习自动提高自身水平的计算机程序的理论方法的学科。近年来机器学习理论在诸多应用领域得到成功的应用与发展，已成为计算机科学的基础及热点之一。 机器学习是继专家系统之后人工智能应用的又一重要研究领域，也是人工智能和神经计算的核心研究课题之一。现有的计算机系统和人工智能系统没有什么学习能力，至多也只有非常有限的学习能力，因而不能满足科技和生产提出的新要求。对机器学习的讨论和机器学习研究的进展，必将促使人工智能和整个科学技术的进一步发展。 一.机器学习的发展史 机器学习是人工智能研究较为年轻的分支，它的发展过程大体上可分为4个时期。 第一阶段是在50年代中叶到60年代中叶，属于热烈时期。…> 第二阶段是在60年代中叶至70年代中叶，被称为机器学习的冷静时期。 第三阶段是从70年代中叶至80年代中叶，称为复兴时期。 机器学习的最新阶段始于1986年。 机器学习进入新阶段的重要表现在下列诸方面： (1) 机器学习已成为新的边缘学科并在高校形成一门课程。它综合应用心理学、生物学和神经生理学以及数学、自动化和计算机科学形成机器学习理论基础。 (2) 结合各种学习方法，取长补短的多种形式的集成学习系统研究正在兴起。特别是连接学习符号学习的耦合可以更好地解决连续性信号处理中知识与技能的获取与求精问题而受到重视。 (3) 机器学习与人工智能各种基础问题的统一性观点正在形成。例如学习与问题求解结合进行、知识表达便于学习的观点产生了通用智能系统SOAR的组块学习。类比学习与问题求解结合的基于案例方法已成为经验学习的重要方向。 (4) 各种学习方法的应用范围不断扩大，一部分已形成商品。归纳学习的知识获取工具已在诊断分类型专家系统中广泛使用。连接学习在声图文识别中占优势。分析学习已用于设计综合型专家系统。遗传算法与强化学习在工程控制中有较好的应用前景。与符号系统耦合的神经网络连接学习将在企业的智能管理与智能机器人运动规划中发挥作用。 (5) 与机器学习有关的学术活动空前活跃。国际上除每年一次的机器学习研讨会外，还有计算机学习理论会议以及遗传算法会议。 二.机器学习分类 1、基于学习策略的分类 学习策略是指学习过程中系统所采用的推理策略。一个学习系统总是由学习和环境两部分组成。由环境（如书本或教师）提供信息，学习部分则实现信息转换，用能够理解的形

传感器的应用现状及发展趋势-论文2011-11-16

传感器技术的研究应用现状与发展前景 传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头, 在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文回顾了传感器技术的发展历史，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用状况，并通过简述当前的应用实例，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 1.引言 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 2.传感器的发展历史及分类 2.1传感器技术的发展历史 传感器技术是20世纪的中期才刚刚问世的，在那时与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并没有投入到实际生产与广泛应用转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目

仿生机器人的研究现状及其发展方向

第36卷第6期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向 王丽慧,周　华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘　要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1　仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2　仿生机器人的国内外研究现状 2.1　水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～ 收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.

仿生学现状及其对科技发展的影响

2009 年春季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目:机械工程专题讲座 学生所在院（系）:机电工程学院 学生所在学科:机械设计及理论 学生姓名:李鹏飞 学号:08S008257 学生类别: 考核结果阅卷人

仿生学现状及其对科技发展的影响 仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)取自拉丁文“bios“(生命方式)和词尾“nic“(具有……性质的)合成的。仿生学可以这样定义：研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。仿生学的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。人类进化过程中，通过不断地模仿自然，提升生产能力。仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。例如：模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造舟楫，模仿飞鸟发明飞机……。1960年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年召开了全美第一届仿生学讨论会。这标志着现代仿生学的开始。 仿生学具有自己独特的研究方法：一般来讲，工程和生产实践提出技术问题，有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。 现状 仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。为迎接全球性竞争和挑战，我国科技专家和决策者在2003年召开了两届香山会议，第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。早期的机器人主要是模拟人的重复性劳

机器人研究现状及发展趋势

机器人发展历史、现状、应用、及发展 趋势 院系：信息工程学院 专业：电子信息工程 姓名：王炳乾

机器人发展历史、现状、应用、及发展趋势 摘要：随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化,机器人已成为一种高新技术产业,为工业自动化发挥了巨大作用,将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。文章介绍了机器人的国内国外的发展历史、状况、应用、并对机器人的发展趋势作了预测。 关键词：机器人;发展；现状；应用；发展趋势。 1．机器人的发展史 1662年，日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶并公开表演。 1738年，法国技师杰克·戴·瓦克逊发明了机器鸭，它会嘎嘎叫、进食和游泳。 1773年，瑞士钟表匠杰克·道罗斯发明了能书写、演奏的玩偶，其体内全是齿轮和发条。它们手执画笔、颜料、墨水瓶，在欧洲很受青睐。 保存至今的、最早的机器人是瑞士的努萨蒂尔历史博物馆里少女形象的玩偶，有200年历史。她可以用风琴演奏。 1893年，在机械实物制造方面，发明家摩尔制造了“蒸汽人”，它靠蒸汽驱动行走。 20世纪以后，机器人的研究与开发情况更好，实用机器人问世。 1927年，美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”。它是电动机器人，装有无线电发报机。 1959年第一台可以编程、画坐标的工业机器人在美国诞生。 现代机器人 有关现代机器人的研究始于20世纪中期，计算机以及自动化技术的发展、原子能的开发利用是前提条件。1946年，第一台数字电子计算机问世。随后，计算机大批量生产的需要推动了自动化技术的发展。1952年，数控机床诞生，随后相关研究不断深入；同时，各国原子能实验室需要代替人类处理放射性物质的机械。

传感器技术的应用及其发展

传感器技术的应用及其发展 摘要：传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节，而测试技术与自动控制水平 高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。本文列举了传感器技术在当前一些重要领域里的应用，并讲述了其发展趋势。 关键词：传感器技术应用现状发展趋势 一、引言 传感器技术是当今世界令人瞩目，迅速发展的高新技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志，与通许技术、计算机技术共同构成21世纪信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。因此各发达国家都将传感器技术作为本世纪重点技术加以发展。随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展，传感器的年需求量持续增长。传感器的应用也越来越广泛、已渗透到各个专业领域。但是目前国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国内外先进水平，制约了我国工业自动化和信息化技术的发展。 二、传感器介绍 传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。传感器通常可以按照一系列方法进行分类。根据输入物理量的分类，传感器常以别测物理量命名，如位移传感器，速度传感器、温度传感器、压力传感器等；根据工作原理分类，传感器常可以依据工作原理进行命名，如应变式、电容式、电感式、热电式、光电传感器等；按输出信号分类，可分为模拟传感器和数字式传感器。输出量为模拟量则称为模拟式，输出量为数字式则称为数字式传感器等等。 三、主要传感器技术分类 传感器技术是当前代表国家综合科研水平的重要技术，传感器技术的具体应用是传感器技术转化的重要途径和方法。加强对传感器技术应用的研究也是了解传感器技术发展现状并对其未来发展进行预测的基础和前提。 3．1 光电传感器技术

仿生结构及其功能材料研究发展

仿生结构及其功能材料研究进展 摘要本文结合作者课题组的相关工作, 就多种仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势. 关键词仿生合成结构材料功能材料智能材料浸润性离子通道 1.光子晶体材料 光子晶体，这是一类特殊的晶体，其原理很像半导体，有一个光子能隙，在此能隙里电磁波无法传播。蛋白石是其中的典型，它的组成仅仅是宏观透明的二氧化硅，其立方密堆积结构的周期性使其具有了光子能带结构，随着能隙位置的变化，反射光也随之变化，最终显示出绚丽的色彩.模仿蛋白石的微观结构，可以合成人工蛋白石结构的光子晶体. 矿物或生物结构色中光子晶体的分子结构、微/纳米结构、周期性结构及其功能的深入研究将为开发新一代光学材料、存储材料及显示材料提供重要的指导作用. 2.仿生空心结构材料 自然界中的许多生物采用了多通道的超细管状结构, 例如: 许多植物的茎都是中空的多通道微米管, 这使其在保证足够强度的前提下可以有效节约原料及输运水分和养料; 为减轻重量以及保温, 鸟类的羽毛也具有多通道管状结构; 许多极地动物的皮毛具有多通道或多空腔的微/纳米管状结构, 使其具有卓越的隔热性能. 3.仿生离子通道材料 生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输(顺离子浓度梯度)和主动运输(逆离子浓度梯度)两种方式. 被动运输的通路称为离子通道, 主动运输的离子载体称为离子泵. 离子通道实际上是控制离子进出细胞的蛋白质, 广泛存在于各种细胞膜上, 具有选择透过性. 生物纳米通道在生命的分子细胞过程中起着至关重要的作用, 如生物能量转换, 神经细胞膜电位的调控, 细胞间的通信和信号传导等[26]. 纳米通道在几何尺寸上与生物分子相近, 利用纳米通道作为生物传感器或传感器载体, 在分子水平上对组成和调控生命体系结构和运行的离子、生物分子和小分子进行检测和分离, 甚至在人工合成的纳米通道体系内模拟某些生物体系的结构和功能, 已成为化学、生命科学、材料学及物理学等领域的研究热点. 4.仿生超强韧纤维材料 天然蜘蛛丝由于具有轻质、高强度、高韧性等优异的力学性能和生物相容性等特性, 因此在国防、军事、建筑、医学等领域具有广阔的应用前景. 随着蜘蛛丝微观结构与性能关系的进一步揭示, 利用不同的合成技术, 国内外许多课题组已成功制备了多种仿蜘蛛丝超强韧纤维材料. 纳米碳管作为一维纳米材料, 重量轻, 具有良好的力学、电学和化学性能, 这为仿生合成具有类似蜘蛛丝性能的功能材料提供了可能并已经得到了验证. 研究发现, 自然界某些生物体中(如昆虫角质层、下颌骨、螫针、钳螯、产卵器等)含有极为少量的金属元素(如Zn、Mn、Ca、Cu等), 以增强这些部位的刚度、硬度等力学性能. 受此启发, 采用改进的原子层沉积处理技术,提高天然蜘蛛牵引丝的抗断裂或变形能力, 增强蜘蛛丝的韧性. 该研究对制造超强韧纤维材料及高科技医疗材料, 包括人工骨骼、人工肌腱、外科手术线等具有重要的指导意义. 5.仿生特殊浸润性表面 自然材料的多尺度微/纳米多级结构赋予其表面特殊浸润性能, 如植物叶表面的自清洁性、滚动各向异性; 昆虫翅膀的自清洁性、水黾腿的超疏水性等. 通过对生物体表面的结构仿生可以实现结构与性能的统一.

MEMS传感器的现状及发展前景

毕业设计指导课论文

MEMS传感器的现状及发展前景 摘要：MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。文章首先介绍了MEMS传感器的分类和典型应用,然后着重对几个传感器进行了介绍,最后对MEMS传感器的发展趋势与发展前景进行了分析。 关键词：MEMS传感器; 加度计; 陀螺仪; 纳米技术; 微机构; 微传感器

Status and Development Prospect of MEMS Sensors Abstract: MEMS sensor is a new type of sensor with the development of nanotechnology. It has many new features, which has a great advantage over traditional sensors. In the pursuit of miniaturization of the contemporary, its good prospects for development, will be subject to more and more attention in various countries. Firstly, the classification and typical application of MEMS sensor are introduced. Then, several sensors are introduced. Finally, the development trend and development prospect of MEMS sensor are analyzed. Key words: MEMS sensor; accelerometer; gyroscope; nanotechnology; micro-mechanism; micro-sensor

国内外研究现状和发展趋势

北京市绿化隔离带可持续经营技术及效益评价 二、项目所属领域国内外研究开发现状和发展趋势 1、由城市绿地到城市林业的发展 城市绿地是城市中一种特殊的生态系统，它是城市系统中能够执行“吐故纳新”负反馈调节机制的子系统。这个系统一方面能为城市居民提供良好的生活环境，为城市生物提供适宜的生境；另一方面能增强城市景观的自然性、促进城市居民与自然的和谐共生。它是城市现代化和文明程度的重要标志。 绿地(green space)一词，各国的法律规范和学术研究对它的定义和范围有着不同的解释，西方城市规划概念中一般不提城市绿地，而是开敞空间(Open Space)，我国建国以来一直延用原苏联的绿地概念，包括城市区域内的各类公园、居住区绿地、单位绿地、道路绿化、墓地、农地、林地、生产防护绿地、风景名胜区、植物覆盖较好的城市待用地等。 尽管各国关于开敞空间(或绿地)的定义不尽相同，但它们都强调了开敞空间(或绿地)在城市中的自然属性，即都是为了保持、恢复或建立自然景观的地域。绿地作为城市的一种景观，是城市中保持自然景观，或使自然景观得到恢复的地域，是城市自然景观和人文景观的综合体现，是城市中最能体现生态性的生态空间，是构成城市景观的重要组成部分。在结构上为人工设计的植物景观、自然植物景观或半自然植物景观。绿地在城市中的功能和作用主要包括：组织城市空间的功能、生态功能（改善生态环境的功能、生物多样性保护功能）、游憩休闲功能、文化(历史)功能、教育功能、社会功能、城市防护和减灾功能。 城市绿地发展和研究进程包括：城市绿地思想启蒙阶段、城市绿地规划思想形成阶段、城市绿地理论和方法的发展阶段、城市绿地生态规划和建设阶段。 吴人韦[1]、汪永华[2]、胡衡生[3]等从城市公共绿地的起源开始介绍了国外城市绿地的发展历程，认为国外的城市绿地建设经历了从公园运动（1843～1887）、公园体系（1880～1890）、重塑城市（1898～1946）、战后大发展（1945～1970）、生物圈意识（1970年以后）等一系列由简单到复杂的城市绿地发展过程，其中“重塑城市”阶段提出了“田园城市”和城市绿带概念，绿带网络提供城区间的隔离、交通通道，并为城市提供新鲜空气。“有机疏散”理论中的城市与自然的有机结合原则，对以后的城市绿化建设具有深远的影响。1938年，英国议会通过了绿带法案（Green Belt Act）。1944年的大伦敦规划，环绕伦敦形成一道宽达5英里的绿带。1955年，又将该绿带宽度增加到6～10英里。英国“绿带政策”的主要目的是控制大城市无限蔓延、鼓励新城发展、阻止城市连体、改善大城市环境质量。早在1935年，莫斯科进行了第一个市政建设总体规划，规划在城市用地外围建立10公里宽的“森林公园带”；1960年调整城市边界时，“森林公园带”进一步扩大为10～15公里宽，北部最宽处达28公里；1971年，莫斯科采用环状、楔状相结合的绿地布局模式，将城市分隔为多中心结构。目前，德国城市森林建设已取得了让世人瞩目的成绩，其树种主要为乡土树种，基本上是高大的落叶乔木（栎类、栗类、悬铃木、杨树、核桃、欧洲山毛榉等）[4]。在绿化城

国内外传感器技术现状与未来发展趋势

《传感器原理与应用》结课论文国外传感器现状及发展趋势 学院：计算机与信息工程学院 专业：通信工程 班级：13级通信工程 学号： ： 指导教师：袁博 学年学期：2016-2017学年第一学期

摘要：传感器技术是现代技术的应用具有巨大的发展潜力，通过传感器技术的应用现状，在未来发展中存在的问题和面临的挑战，传感器技术现状与发展趋势。 关键字：传感器，现状，发展趋势。 正文： 一、传感器的定义和组成 根据国家标准（GB7665—87），传感器（transduer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 这一定义包含了以下几方面的含意：①传感器是测量装置，能完成检测任务：②它的输出旦是某一被测量，可能是物理量．也可能是化学量、生物量等；②它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器等，它们的涵相同或相似。所以近来己逐渐趋向统一，大都使用传感器这一名称了。 但是，在我国还经常有把‘传感器”和“敏感元件”等同使用的情况。当从仪器仪表学科的角度强调是一种感受信号的装置时，称其为。传感器”：而从电子学的角度强调它是一种能感受信号的电子元件时，称其为“敏感元件”。两种

不同的提法在大多数情况下并不矛盾。例如热敏电阻，既可以称其为“温度传感器”，也可以称之为“热敏元件”。但在有些情况下则只能概括地用“传感器”一词来称谓。例如，利用压敏元件作为敏感元件，并具有质量块、弹按和阻尼等结构的加速度传感器，很难用“敏感元件％类的词称谓，而只“传感器”则更为贴切。 传感器一般由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。 （1）敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。 是一种气体压力传感器的示意图。膜盒2的下半部与壳体l固接，上半部通过连扦与磁芯 4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接人转换电路5。这里的膜盒就是敏感元件，其外部与大气压力尸。相通，部与被测量压力尸相通。当尸变化时．引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。 （2）转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。在图2—2中，转换元件是可变电感线圈3，它把输入的位移量转换成电感的变化。 （3）转换电路：上述电路参数接入转换电路．便可转换成电量输出。 实际上，有些传感器很简单．有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。 最简单的传感器由一个敏感元件（兼转换元件）组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶；有些传感器由敏感元件组成，没有转换电路，如压电式加

论传感器的现状及趋势

论传感器的现状及趋势 【摘要】传感器技术是一项发展迅猛的而且备受当今世界瞩目的意向技术，是当前科学技术发展水平的标志，传感器技术与计算机科学与技术及通信技术构成了当今信息产业三大支柱。假设计算机比喻为人类大脑的延伸，那么传感器技术则是人类对五官的丰富，伴随着计算机及集成电路的不断发展，越来越多的应用到了信息捕捉技术，即传感器技术，而现状是传感器技术发展步伐略慢，甚至有人惊呼“大脑发达、五官不灵”。 【关键词】传感器；质量控制；发展趋势 0 前言 当前社会已经从步入到了信息社会时代，随着科技的发展和社会的进步，生活中对传感器技术的需要已经越来越多，传感器技术的发展已经在整个信息化社会进程中起到了决定性作用，对信息技术的革命，为人民生活带来历史性的革新的关键技术就是传感器技术。早在20世纪80年代，美国就提出人类社会已经进入了传感器时代，而作为现代科学技术的日本则把传感器技术列为十大技术之首；美国军方2000年举出15个项目对提高21世纪空军作战能力起到关键性因素，其中传感器技术位居第二；日本对传感器技术的研发也非常重视，传感器技术已经被日本列为最重要的六项技术之一，在20世纪90年代日本科技厅制定的90余项重大科技项目其中就有多大18项是关于传感器技术的；而早在80年代初，美国就率先成立了美国国家技术小组（BGT），以帮助美国政府领导各大公司与国家企事业部门之间的传感器技术开发工作。由此可见，传感器技术越来越受到了各国的重视，随着传感器的不断发展，势必将会为我们的生活带来越来越大的改变。 1 传感器的发展历史 传感器技术的发展在国外一般有两条不同的途径，一条是以发达国家美国为首的先军后民的道路，也就是说先由国家出资研发传感器技术用于军方探测等，待技术成熟后解密用于民间用途；另一条道路则是走的商品化道路，先将研发出来的传感器技术投入到老百姓日常生活需要之中，待普及率提高后，通过用户的不断测试和实际使用，不断的更新传感器的功能，进而促进传感器技术的进一步发展，而且投资回报时间更快些，此种做法在日本非常流行。 针对我国传感器技术的发展现状，评估专家一致认为：我国在传感器技术领域和其他发达国家相比，在科研成果上要落后10年，而在生产成品的技术上更是落后15年。国外传感器技术发展较快，主要有以下几方面原因：1）非常重视传感器功能材料研究：历来，我们都是根据各种功能材料来制作种种传感器，这往往限制了传感器性能进一步提高。2）重视工艺研究：传感器原理不难，也不保密，而最保密的是工艺。在国外，有不少评价“传感器”不是一般的工业产品，而是一种完美的工艺品之佳作。1995年上海同济大学的任总教授发表了“具有中