李波，劉小溪，韓東，許剛，4，王曉梅，4，彭修娟，劉峰，，4*

1.陜西中醫(yī)藥大學，陜西 咸陽 712046；

2.陜西國際商貿學院，陜西 咸陽 712046；

3.陜西步長制藥有限公司，陜西 西安 710075；

4.陜西省中藥綠色制造技術協同創(chuàng)新中心，陜西 咸陽 712046

隨著新一輪技術革命和新興產業(yè)的崛起，世界制造業(yè)的發(fā)展將以綠色制造和智能制造為重點。德國“工業(yè)4.0”和美國“工業(yè)互聯網”完善地闡述了數字化、網絡化制造范式，提出了實現數字化、網絡化制造的技術路線[1]；而“中國制造2025”和“中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要（2016—2030 年）”指出，今后中醫(yī)藥發(fā)展的主要方向是推進中藥智能制造，注重信息化、智能化及工業(yè)化三者的相互融合[2]。近年來，我國中藥智能生產雖然取得了階段性勝利，但在藥材前處理、提取濃縮、滅菌干燥、制劑成型及包裝等生產過程的數據難以獲取、傳輸與處理[3]，生產中的“數據孤島”現象依然存在，這對中藥智能生產的發(fā)展造成了極大的阻礙。

傳感器是制造過程的感官系統，相當于人的眼睛、耳朵和鼻子等，是采集生產數據的源頭，能夠使數據實時傳入和傳出（圖1）。因此，傳感器技術的發(fā)展是智能制造過程的關鍵，并在一定程度上決定著智能制造的進程。如今，雖有文獻介紹了傳感器在中藥部分生產過程中的應用，但其對在中藥生產中傳感器的具體類型和應用并未進行詳細描述[4-5]?；诖?，根據國內外傳感器技術的最新進展，結合中藥生產全過程的應用情況，進一步思考傳感器在中藥智能制造的發(fā)展趨勢，為推動我國中藥智能生產的發(fā)展提供戰(zhàn)略性構想和創(chuàng)新升級策略。

圖1 傳感器的應用

傳感器技術的快速發(fā)展，使其獨特優(yōu)勢得到了前所未有的關注，許多國家也將其歸為新型重點技術。為了加快智能制造的發(fā)展，國內外研究者在傳感器的材料和結構方面進行了優(yōu)化[6]，使其靈敏度提高、選擇性提升、價格更低廉，并且使用壽命更長。同時，學者將傳感器與神經網絡等智能系統結合[7-8]，使傳感器在中藥生產過程具有自檢與自診斷、智能校正與補償等功能，推動現代中藥制造傳感器向智能化[9]、微型化[10]、網絡化[11]、新材料化[12-13]方向的發(fā)展。如今，傳感器已經廣泛應用于食品[14-16]、農產品[17-19]、環(huán)境監(jiān)測[20-22]等領域。

1 傳感器概述

1.1 定義

傳感器是一種用來檢測數據的裝置，其能夠檢測被測量的信息，并將檢測到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息進行輸出，來滿足信息的傳輸、處理、顯示、存儲、記錄和控制等要求，傳感器技術是實現智能檢測和智能控制的首要環(huán)節(jié)[4]。

1.2 主要類型

傳感器位于生產設備的最前端，在智能制造領域中，能夠更快速、更高效地提供智能生產過程中的各種參數，來實現對制造過程中的實時在線跟蹤和控制，在工業(yè)生產中傳感器依據以下5 個方面進行分類：1）按運行原理可分為電阻式、光電式、紅外、光導纖維、超聲波、激光等傳感器；2）按敏感材料可分為半導體、陶瓷、光導纖維、金屬、高分子材料等傳感器；3）按使用目的可分為測量用、分析用、診斷用、控制用等傳感器；4）按輸出信號可分為模擬傳感器和數字傳感器；5）按測量信號可分為力學量、光學量、熱學量、化學量、生物量等。

2 中藥常見傳感器類型

2.1 紅外傳感器

以紅外光與含氫基團（-CH、-NH、-OH 等）振動的合頻與倍頻吸收為特點的紅外傳感器，可以將輻射能轉換為電能，主要是利用紅外輻射引起探測器的敏感元件變化，使相關參數發(fā)生變化（圖2），實現快速、高效地分析檢測[23]。在中藥領域中，紅外傳感器不僅可以無損地提取樣本信息，而且還能對多種中藥材進行真?zhèn)舞b別，對次品的摻入量進行預測，能夠快速有效地對中藥整體質量進行評價與鑒定。紅外傳感器還可以提高中藥提取、分離純化效率，提升提取物的質量，達到中藥的高效率、高質量生產，從而降低生產成本[24]；Zhang等[25]研究了一種使用近紅外反射光譜（NIRS）快速測定腦塞通中2 種人參皂苷的方法，此方法可用于人參中人參皂苷含量的快速測定；Sun等[26]采用中紅外光譜（MIR）和近紅外光譜（NIR），對半夏與摻假半夏、炮制半夏與摻假半夏進行快速、可靠的鑒別。光學傳感器的應用為中藥智能制造中成藥的質量評價提供了參考。

圖2 近紅外傳感器組成

2.2 電學傳感器和生物傳感器

電學傳感器的工作原理是將化學復合材料固定到電極表面，可特異性識別被測物，之后傳感器轉換信息的部分將識別的信息轉變?yōu)榭杀粰z測的輸出信號，其在食品安全、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等方面有著廣泛的應用[27]。生物傳感器的敏感材料是用生物物質作為識別元件，可將生化反應轉變成可定量的物理、化學信號，從而能夠進行生命物質和化學物質檢測和監(jiān)控的裝置[28]。

基于電化學技術的生物傳感器結合了兩者的優(yōu)點，具有響應速度更快、檢測限更低等優(yōu)點，應用在食品、藥品的重金屬快速檢測領域將具有極大的研究價值。閆卉欣等[29]制備的DNA 電化學生物傳感器，具有較好的穩(wěn)定性及重復性，能對動物藥僵蠶中的汞離子（Hg2+）進行快速檢測，這為快速篩查中藥材基質中微量重金屬及農藥殘留提供了新的思路，為中藥智能制造生產提供了方向。

2.3 仿生傳感器

中藥飲片的質量鑒定采用“辨狀論質”[30]，大致通過感官、理化、生物等方法進行鑒定，目前辨認飲片的優(yōu)劣甚至真?zhèn)稳匀灰揽咳说慕涷?，主要通過其形、色、氣、味等外觀形狀進行判斷[31]。但如今中藥的染色、熏蒸等技能讓經驗鑒別方法很難辨別，“論質”如今面臨著巨大的挑戰(zhàn)[32]。因此，將仿生傳感器技術應用在中藥飲片及炮制的“辨色”中，通過傳感器提取樣本數據，并進行識別判斷，具有更高的準確性和安全性。

2.3.1 機器視覺 機器視覺是在傳感器技術的基礎上，對被檢測物體通過圖像來獲取數據，隨后進行分析處理，來實現生產過程的實時檢測和控制[33]。機器視覺技術主要以色澤作為評價標準，在農業(yè)領域，可用于水果成熟度鑒別及肉類新鮮度評價[34]；在中藥領域，采收期的時間和產地的不同及炮制方法的差別，使得藥材的色澤表現出的巨大的差異性，而機器視覺對這種差異性能夠快速、精確地檢測。楊添鈞[35]建立了一種機器視覺系統，能夠對枸杞子、大棗及丹參等多味中藥顏色特征值進行模式識別，并統計多味中藥顏色的取值范圍，采用模式識別的方法，實現中藥識別的數字化、智能化。

2.3.2 機器嗅覺 機器嗅覺又稱電子鼻或者仿生嗅覺，是化學傳感器與計算機結合的技術，能夠對氣味及揮發(fā)物進行研究和分析。目前主要應用于農業(yè)領域，如利用電子鼻實現對蘋果低溫貯藏時間及品質的預測[36]，也可實現中藥及其中成藥的鑒別分類，在質量評判分析、產品監(jiān)控領域也大量應用。張超等[37]采用電子鼻技術獲取半夏及其不同種類與比例的摻偽樣品氣味指紋圖譜，并結合多種化學計量學方法進行鑒定，結果顯示，電子鼻技術能夠根據氣味快速鑒別半夏及其偽品；莊家俊等[38]采用電子鼻技術對多組不同批次的中藥進行檢測，并對獲取到的數據進行分析，結果顯示有較高的正確率，可實現對中藥不同批次的鑒別和分類。

2.3.3 機器味覺 機器味覺是一類智能味覺仿生系統，將傳感器技術與計算機結合，模擬人的舌頭，從待測樣品中獲取數據，隨后進行分析、識別和判斷，快速地反映出樣品整體的質量信息，實現對樣品的識別和分類[39-40]。陳棟杰等[41]利用電子舌技術對不同產地的枸杞子樣品進行檢測，結果顯示，電子舌傳感器與感官評價結果響應值較好，說明電子舌技術在未來能夠替代人工實現對各類中藥的味覺屬性進行評價。

3 傳感器在中藥生產中的應用

傳感器技術雖然已經比較成熟，但在中藥制藥領域中仍處于發(fā)展階段。制藥過程中物料種類、狀態(tài)、理化性質、物質基礎都會對藥品質量產生影響。各種在線、原位、非接觸式傳感器具備快速、靈敏、穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點，能夠在生產過程中對各單元質量屬性進行在線控制，從而對整個加工過程進行更加有效的管理（表1）[5]。

表1 中藥生產各單元的質量屬性

3.1 傳感器在中藥前處理中的應用

中藥的前處理是中藥制造加工過程的第一步，包括挑選藥材、洗藥、潤藥、切藥、干燥、粉碎等工序，其與藥品的質量和療效密切相關。為實現DNA 分子水平上對中藥材浙貝母和川貝母的鑒定，雷焱[42]研制了石墨烯與金屬納米顆粒修飾的電化學傳感器，其具有靈敏度高、選擇性好、重現性和穩(wěn)定性高的特點，在中藥材的鑒定及挑選中具有較好的應用前景；連傳運等[43]研發(fā)的質構儀針刺式壓力傳感器模擬感官系統，對人參潤制“藥透水盡”進行客觀化表征，結果顯示，人參藥材完全軟化狀態(tài)可達到傳統經驗判斷的程度，這為其他根莖類藥材軟化過程智能監(jiān)控提供參考；Shi等[44]為了防止中藥摻假對藥品質量的影響，設計了一種納米粗化的碳載金納米結構陣列傳感器，結果顯示，通過DNA 條形碼能夠快速準確地區(qū)分藏紅花和其他6 種摻雜物，這表明納米結構陣列傳感器在中藥識別方面有巨大的潛力，為中藥在識別草藥及其他雜質環(huán)節(jié)提供參考；Zhou等[45]開發(fā)了一種結合化學計量學和神經網絡的電子鼻，并建立了數字和模式標準，實現了樣品的氣味質量控制為，中藥材質量鑒定、中藥的氣味定量表征及產地加工方式區(qū)分提供了一種新的技術手段。

3.2 傳感器在中藥提取濃縮中的應用

中藥提取濃縮是制藥過程中的重要環(huán)節(jié)之一，其內部濃度、溫度、流量等工藝參數不僅影響中藥的利用率，而且與藥品的質量有著直接關系。而傳感器技術的應用，有利于保證藥品生產過程的相對穩(wěn)定，提高生產效率，降低生產成本，避免數據的滯后而引起產品的質量差異，使提取濃縮過程得到有效、科學、嚴格的控制。楊越[46]利用NIR 技術對金銀花提取過程的在線監(jiān)測，并首次結合2 種算法，創(chuàng)建了一種新的算法，將其成功應用到中藥含量檢測中，實現了生產程控化和檢測實時化；周雨楓等[47]建立了皂苷定量模型，以超高效液相色譜法作為參比分析方法測定皂苷含量，結合NIR分析技術，建立一種可用于三七提取過程中的在線檢測方法，從而指導生產規(guī)模復雜中藥體系提取過程的在線質量監(jiān)控；徐芳芳等[48]將NIR 在線檢測技術與偏最小二乘法相結合，建立了一種快速定量在線測定模型，該模型能夠實時監(jiān)控濃縮過程中的變化，加強對中藥濃縮過程的了解和控制；楊麗等[49]為解決提取濃縮過程中離線分析結果滯后的缺陷，研發(fā)了聲光可調濾光器近紅外光譜在淫羊藿濃縮過程的在線檢測，結果顯示，傳感器能夠實現實時對淫羊藿提取液的在線質量控制，這不僅提升了中藥生產效率和質量，也為中藥智能制造的發(fā)展提供新的方法和思路。

3.3 傳感器在中藥干燥滅菌中的應用

在中藥生產過程中，干燥滅菌能夠保證中藥產品的安全和衛(wèi)生。為保證中藥產品達到國家良好生產規(guī)范要求，對溫度、時間、輻照劑量、壓力值、致死率、耐熱參數等關鍵性工藝參數進行實時監(jiān)測和調控至關重要。張婧等[50]采用NIR 的傳感系統，設計了一種中藥水分檢測系統，具有快速、無損、準確的特點，可以滿足測定中藥水分含量的要求；王晴等[51]基于在線NIR 技術，建立桂枝茯苓膠囊流化床干燥過程水分實時監(jiān)測模型，在生產中具有穩(wěn)健、準確的預測性能；張珉等[52]基于微波原理和紅外測溫技術，設計了恒溫微波滅菌裝置，滅菌效果可靠、操作簡單、低能耗，保證了中藥制劑的質量；湯慶國等[53]基于多種傳感器的環(huán)氧乙烷滅菌監(jiān)測系統，利用傳感器實時采集滅菌過程的溫度、濕度和環(huán)氧乙烷濃度，能實現滅菌過程的實時監(jiān)測；吳昊等[54]根據被測樣信號放大的策略，構建了一種高靈敏檢測的化學發(fā)光適體傳感器，該傳感器操作簡單、靈敏度高、特異性好，在中藥材農藥殘留檢測方面具有良好的應用前景。

3.4 傳感器在中藥制劑的應用

中藥劑型主要有顆粒劑、片劑、丸劑、膠囊劑等，目前對于這些傳統的成型制劑的質量評價還主要靠人識別，這種評價方法導致了藥品不同批次間存在較大差異，不僅嚴重影響了藥品質量，也增加了人力物力，嚴重制約了中藥產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及國際化。Han等[55]采用電子舌對中藥黃連和荷葉進行苦度測試，量化結果顯示出良好的鑒別能力，為中藥制藥中苦味的定量和味覺掩蔽效應提供了一種選擇；于佳琦等[56]設計了在線濁度傳感器，能夠對溶液渾濁程度進行量化表征，目的是提升顆粒劑溶化性視覺評價的主觀性，并且對已有的顆粒劑的溶化過程濁度進行數據分析，建立了顆粒劑溶化性的分級評價標準，這為中藥智能化改進提供了明確的目標；相關研究采用NIR 分析技術對天舒片包衣薄膜厚度及包衣終點進行測定，結果表明，近紅外傳感器可準確預測包衣薄膜厚度及包衣終點，不僅減小了批次間差異性和原料損耗，而且提高中藥固體制劑的包衣生產效率和質量均一性，為中藥片劑生產過程中包衣厚度及包衣終點的在線檢測提供技術支持[57-58]；劉瀛等[59]采用光纖傳感器構建膠囊產量在線檢測系統，在生產過程中，在線檢測能夠顯示出合格膠囊數量。

3.5 傳感器在中藥包裝的應用

在中藥包裝過程中傳感器的視覺被廣泛應用，能對產品進行實時檢測與調控，并對包裝過程進行實時篩選控制，以達到質量控制的目的，避免了手工操作控制不準確而且耗時耗力的問題，使產品生產更高效、快捷。李姿景[60]為了提高包裝效率及包裝的正確率和安全性，通過機器視覺檢測原理結合各種算法，設計了一套基于機器視覺的藥品包裝自動檢測系統，能夠實現藥品包裝生產線的自動檢測，并能自動剔除不合格藥品，保證生產安全；然而包裝過程中漏粒問題也要重視，為此，張中然等[61]針對實際檢測中光照情況不穩(wěn)定和藥品包裝表面復雜的反射情況，設計開發(fā)了視覺檢測系統與攝像機結合的傳感器，結合圖像分割算法可準確分辨藥片位置，具有廣闊的市場應用前景；魏宇楠等[62]根據NIR 設計的檢測模型能夠對是否帶有玻璃紙的同仁牛黃清心丸水分含量具有良好的預測性能，并能夠對大蜜丸水分含量進行快速、準確和無損定量分析，為中藥制劑中水分關鍵化學屬性的質量控制提供參考。

4 傳感器在中藥智能制造的發(fā)展趨勢

中藥產品的制造過程是一個復雜、多變的非線性反應過程，數據信息的延遲及不確定性會嚴重影響中藥產品的質量。而傳感器作為中藥產品生產過程中信息、物理系統交互的樞紐，雖然能夠解決生產過程中的復雜性和非線性等問題，但其在智能制造的發(fā)展中還亟須解決多方面問題：一是數據傳輸的穩(wěn)定性和安全性；二是建模方法、圖像處理算法及數據的篩選；三是多維度數據融合技術海量數據處理的問題。

5G技術和人工智能技術的發(fā)展為以上問題的解決指明了方向。5G技術的多接入邊緣計算及切片技術功能，不僅可以降低傳輸時延，緩解網絡擁塞，而且在保證數據安全的同時降低了運營成本；人工智能技術的神經網絡和專家系統功能，具有強大的數據分析和信息提取能力，不但能夠對數據進行分析、處理，還能對數據結果進行預測、判斷（圖3）。未來中藥智能生產的發(fā)展模式可能是“3+融合”發(fā)展，即首先通過傳感器采集數據，再依靠5G技術傳輸數據，最后通過人工智能綜合分析。將其應用于中藥產品制造過程中，使每個生產設備既是生產的組成部分又是獨立個體，生產過程中都擁有實時監(jiān)測、快速傳輸、自主決策等功能，這對于生產過程的提質增效、節(jié)能減排及中藥產品質量控制與品質的提升具有極大的參考價值。盡管傳感器技術與人工智能、5G技術的聯合應用存在諸多問題和挑戰(zhàn)，但在傳感器技術的不斷演進、人工智能與5G技術日益成熟的趨勢下，三者技術的融合必將在中藥智能制造的發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用，為我國優(yōu)質、保量、低耗、高效能的中藥智能制造之路鋪下堅石。

圖3 未來傳感器應用模式

5 結語

隨著相關政策的出臺，智能制造的發(fā)展已經成為趨勢，中藥智能化生產已成為必然走向。傳感器作為智能制造信息系統和物理系統交互的橋梁，在推動智能制造的發(fā)展中具有核心地位?；诖?，本文首先明確了傳感器的相關概念，并對傳感器在中藥產品生產過程中根據運行原理和信號的不同進行了歸類。從中藥產品生產過程出發(fā)，闡述了傳感器在生產過程的應用效果，并對傳感器發(fā)展過程可能產生的問題提供了解決方案，期望能夠對中藥智能制造的發(fā)展提供參考。

在一定程度上，中藥智能生產的發(fā)展狀況和水平影響著整個中藥產業(yè)的發(fā)展，是決定我國中藥智能制造水平的重要標志。雖然我國中藥產品智能生產已發(fā)展多年，智能化進程也不斷推進，但由于數據感知、傳輸、分析等核心技術的限制，我國中藥智能制造的整個產業(yè)鏈不完整這個問題非常突出，這嚴重阻礙了中藥智能生產的發(fā)展。如今，在5G 時代和人工智能時代的推動下，新一代的中藥智能制造需要先進的制造技術，以及信息采集技術、移動互聯網、人工智能多種技術平臺融合，完善智能制造的產業(yè)鏈，實現具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能的智能化生產。未來中藥生產企業(yè)的發(fā)展將會以高速性、閉環(huán)性、安全性為基礎，多技術融合為方向，實現具有智能化、柔性化、結構優(yōu)化及綠色低耗等特征的高水平中藥智能制造。