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光电子技术的“破茧”之路

■本报记者胡珉琦

近日，中国科学院半导体研究所（以下简称半导体所）“半导体光电子器件及集成技术”入选了中科院“率先行动”计划第一阶段重大成果及标志性进展。

作为国家信息产业的基础技术之一，光电子技术在宽带互联网、高性能计算、智能机器人、先进制造和智慧城市等多个领域起到关键性支撑作用。它也因此成为了衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

认准了半导体光电子器件及集成技术是构建未来信息社会的核心和基础，半导体所在“十二五”和“十三五”期间，分别将其作为重点培育方向和重大突破方向，坚持面向国家重大需求，突破半导体光电子器件及集成技术的瓶颈，研制出自主可控核心光电子器件，以实现其在光通信、光互连、光传感等领域的典型应用。

在限制中突破

新一代信息技术、机器人、航空航天装备、新能源汽车、新材料、生物医药及高性能医疗器械等，这些中国制造重点领域都离不开一项支撑技术——激光技术。

而半导体激光器是全固态激光、光纤激光、气体激光等的泵浦源，是核心器件，不可或缺、不可替代。但我国在激光芯片方面的发展现状却是低端芯片依赖进口，高端芯片受制于人。

1996年11月开始实施的《瓦森纳协定》明确了对中国禁运的半导体激光芯片的清单，且随着技术的演进，每年清单中的器件类型、器件指标都在不停更新，旨在将中国的半导体激光器应用技术限制在低端水平。

2003年博士后研究工作结束后返回半导体所的郑婉华，只想到了一条出路——突破高性能激光芯片技术，而且必须探索一条自主发展的道路，实现换道超车。

当年她向科技部提出建议，中国应该创新发展光子晶体半导体激光器新原理与新技术，解决半导体激光面临的功率密度低、光束质量差的世界性难题。这一提议不仅获得了“863”项目的支持，后期也得到了国家自然科学基金等新项目的帮助。郑婉华团队在2006年率先在中国实现光子晶体激光的突破，中国也成为了当时实现光子晶体激光激射的少数几个国家之一。

许多半导体人都有着和郑婉华一样的境遇和经历。“限制”反而成了光电子技术突破的磨刀石。

同样艰难迎战的还有光通信芯片团队。国家宽带网络建设的核心芯片，以前主要掌握在美国、日本、韩国、丹麦及英国等国的几家企业手中，中国以进口芯片封装为主。面对国家光网络建设需求，半导体所经过10多年的技术攻关，不仅解决了光分路器及AWG芯片设计及关键工艺问题，还实现了光分路器及AWG的成果转化。如今，光分路器芯片全球市场占有率达50%以上，AWG芯片实现海外市场突破，有力保障了我国宽带网络建设芯片的自主可控，促进了我国硅基光子学器件的产业链完整性建设。

度过漫长的沉默期

光电子技术，特别是芯片技术，一头是研发，一头是制造。要从这一头走到那一头，并且稳稳地落地，常常是孤独又漫长的。

2010年，半导体所光通信芯片团队开启了成果转化之路。10年中，他们需要解决损耗均匀性、芯片良率、工艺稳定性、一致性及可靠性等一系列问题。“这些问题在半导体所基础研究中并非重点关注的问题，而在产业化中却是必须解决的。”半导体所研究员安俊明告诉《中国科学报》，为此，一款芯片需要30多次的设计优化制版、上百次的实验流片验证，才能使芯片性能达到国际同类芯片水平，与国外芯片同台竞争。

他说，团队还非常注重每个细节的芯片开发方式。“比如AWG芯片，结构中分五大部分，还有上千条波导的结合，而涉及的性能参数，每个通道就有十多个，看似千头万绪。一个参数的好坏受多方面的影响，如何准确判断问题所在？团队人员会把芯片的每一部分分别进行研究，不放过任何可能的影响因素，才使问题一步步得到解决。”

为了加快研究进度，团队想尽了各种办法。安俊明说：“我们经常会有一些方案，大家会预测结果，比如我们曾经预测第一次流片的光分路器损耗，有的说会达到10dB以下，有的说刚流片，不会那么乐观，这种打赌的方式也提升了转化速度。”

郑婉华也坦言，实验室的技术成果向市场转化的过程困难重重。

在她看来，半导体激光芯片是一个高资金投入、高密集人才、高度设备依赖的技术，如果上述问题得以克服，仍然面临实验室样品向批量化转移中的诸多工程技术难题。“因为我们先于国外开展这种高端激光芯片的批量制造，因此解决这些难题没有捷径可走，必须投入时间、人力、物力，且需要全体人员不浮躁、沉下心，一个难题一个难题攻克。”

“半导体光电子技术领域的研究工作，目前都是硬骨头工作，存在发表文章难、出成果难的问题。在人才培养方面，由于很难获得各种人才称号，我们只能以身作则，以国家需求为己任，留住人才。”郑婉华说。

壮大转化队伍

半导体所除了以基础前沿为引领来立身，同样重要的是在全面服务国家重大需求和国民经济发展中发挥不可替代的基础支撑作用。急国家和市场之所需一直是该研究所坚持的科研文化。

郑婉华表示，得益于国家、中科院“率先行动”计划和研究所在技术转移方面的优厚政策，最大化地提升了年轻人的收入水平，从而逐渐吸引了一些有理想、有抱负的博士生留下来，投入到这项事业中。

对科研人员而言，要投身转移转化，最难转变的是思维。如果思维转变不过来，再好的政策也无法推动。这就要求部分研究人员带头去从事成果转化工作，从而形成示范效应，让更多人加入这一行列。

目前，以半导体所为技术方的河南仕佳已成为国际上规模最大的光无源芯片生产企业。今年8月，河南仕佳正式在科创板上市，这也为半导体所人走在成果转化的道路上加足了信心。

值得一提的是，在这一过程中，半导体所已经形成了一支从理论分析、设计优化、工艺开发到产业化应用，完整的、训练有素的、敢于啃硬骨头的团队。也因此，半导体所承担了中科院科技成果转移转化重点专项（弘光专项）“硅基二氧化硅阵列波导光栅芯片产业化”，实现了我国数据中心及骨干网核心波分复用芯片的国产化，更加提升了科技成果转化能力。

提到团队培养的经验，安俊明表示，“我们的特色是把研究生的培养放在产业转化一线，使他们掌握的知识更接地气，他们的许多经验、教训来源于生产实践，这在研究所是无法得到的。”如此培养的年轻人，在今后从事科研的过程中，也会更注重我国光电子产业链中的难点问题、设计及开发的实用性和产业转化的可行性，更注重解决国家急需的产业化难题。

来源：《中国科学报》

新冠疫情，将改变这十大电子应用

电子发烧友报道 2020年春节，一场突如其来的“新型冠状病毒”疫情席卷了整个中国，让原本热闹喜庆的团圆节变得有些异常。根据最新的数据，截止到2020年2月3日17：34，全国确诊的新型冠状病毒肺炎的人数已经达到17335人，疑似病例达到21558人，治愈人数484人，死亡人数达到361人。

图：丁香园统计的“新型冠状病毒”感染的确诊病例数目。（数据来源：来自国家卫健委、各省市区卫健委、各省市区政府、港澳台官方渠道公开数据）

当下，“新型冠状病毒”的疫情备受全球关注，它造成了中国全民禁足，企业开工和学校开学大范围延迟，国家和各行各业大量人力、物力、财力用于抗击疫情。这次疫情不可避免地将会对交通运输业、住宿和餐饮业、教育、文化、体育、娱乐和旅游业，以及电子行业造成很大的影响。

疫情来了，总是会走的。疫情过后，它将会给电子行业带来哪些改变呢？

1、机器人治疗、配送上岗

为了将感染的风险降到最低，在一线工作中投入智能机器人取代部分人力是一个非常好的思路。

在美国首例新型冠状病毒肺炎病患诊疗过程中，智能诊疗机器人就发挥了重大作用。医生坐在病人房间窗户外操作机器人。机器人装备有摄像头、麦克风和听诊器。

国内的广东省人民医院引入了配送机器人送药品，上海儿童医学中心通过问诊机器人对疑似患儿进行了床边会诊和远程查房，有些地区的集中医学观察点已经启用了智能送餐机器人。

图：全国首台在隔离病房应用的配送机器人在广东省人民医院上岗

此外，还有一些医院引入了消毒物流机器人，完成医院发热门诊、隔离病房、传染病科和ICU的耗材、药品配送以及消毒工作。

此外，机器人在疫情随调，疫情宣讲等方面也可以提供支持。例如阿里巴巴达摩院用5天时间推出的智能疫情机器人，借助语音识别、语义理解、自然语音合成等技术，机器人能够准确理解人类语言，并从智能知识库获取信息，反馈给通话人。通话双方可以有多轮对话，部分一线人力得到释放。

思必驰在疫情期间向全国相关政府部门、医疗机构、公益机构提供免费人工智能服务，推出的疫情防控机器人，可替代社区人力，向海量的辖区居民主动拨打电话，调研近期行踪、摸排人员往来，加强重点人员健康监测和跟踪保障。

在一线的消毒、穿衣、运输、面对面问诊这些“危险”的事情，替代人工的机器人都有用武之地。

2、智慧城市走向纵深，或将不再“封城”

眼下智慧城市的建设越来越智能化，数据收集、联网、分析对高清摄像头、智慧中控盒、各类传感器等存在大量需求。智慧城市的建设对电子政务、医疗、教育、交通等场景都具有重要意义。通过技术创新、前沿算法等智慧城市不断为应用场景赋能。

可以预见，从城市到乡村，从市中心到郊区，以及人员密集场所等的管控在疫情过后将进行强化，尤其是深入到社区、乡村等场景的网络化管理将更加突显。同时，对于线上政务、线上教育以及智慧医疗等的大力发展，智慧城市也将成为重要支撑。

有了智慧城市，能够对各种信息进行监控、判断和处理，提高城市运营效率，试想未来强大的智慧城市系统下，再也不用“封城”，而是通过数据化与人工智能进行灾情预测，及时疏导，例如发现确诊病例，能够紧急调出他的消费记录、出行轨迹，同时发现周边人群等。总之智慧城市令城市运行更加合理更加平稳。

3、主打“非接触”应用的无人机大显身手

在此次抗击疫情的各项举措中，无人机在物资配送、防疫消杀、高空照明、远程测温、抗疫宣传等应用中都起到了关键作用。

在为医院或疑似居家隔离人员配送用品时，无人机配备运输专用配件后，可以实现物资的定点投放，大大提高了配送的安全性；在火神山医院的建设过程中，无人机以更广视角记录下了整体的施工情况，降低了摄影记者在一线的工作风险；当地面情况复杂，无法安装常规路灯等照明设施时，照明无人机可以完成大面积的照明覆盖，还可灵活改变照明区域，节省铺设照明设施的时间，在短时间内需要紧急建设医院时非常实用；对于高度疑似的家庭，使用无人机上户进行测温；另外，无人机防疫宣传、督查工作中也起到重要作用，通过无人机语音系统进行空中喊话，进行移动宣传，对人口聚集或不戴口罩等情况进行劝解，或是对社区、村庄进行航拍检测，一旦发现有人员聚集或外来车辆，可以第一时间通知排查人员，消除监督死角

此外，无人机也被用于防疫消杀，喷洒消毒液的效率远远高出人工手动喷洒。一些地区原本用于农业喷洒农药的无人机，被启动执行防疫消杀任务。中国农业大学药械与施药技术研究中心在2020年2月1日，为农业无人机防疫消杀给予了技术指导与支持，文件全名为《农村消毒液喷施技术及设备使用建议》。需要了解的是，农业无人机平时飞行高度在两米左右，而执行消毒防疫任务的飞行高度是十几米。无人机需自带下压风场，控制药液落地方向。为了防飘，再将药液颗粒大小调整到220微米，保证大颗粒不易被自然风吹走。其难点在于航线规划，考验飞手的技术水平，还有无人机的性能。

4、在线教育迎来新的发展阶段

目前，由于疫情影响，全国中小学都推迟了开学时间。在这个空档期，多个在线教育企业都纷纷表示援助，其中主要有三种类型：一是捐助课程，将自身的直播教学、课程内容开放至全国，尤其是湖北武汉等地区；二是免费开放在线直播平台，帮助线下辅导机构和学校将学生和老师转移到线上来，帮助其正常教学，这个主要以钉钉、腾讯和科大讯飞等技术类企业居多；三是捐款，用于购买医用物资。

目前，有不少大学和知识库免费开放给了，比如清华大学开放了清华大学出版社出品的在线学习平台文泉课堂，可以用于学生自主学习，也适用于教师在线组班教学或辅助线下授课，指导学生在线学习课件，练习和讨论。机械工业出版社也宣布开放6000多本电子书，此外在这段时间，维普和知网也纷纷免费开放了。

另外，随着疫情的发展，包括武汉、北京在内的多个地区相继发布通知，暂停各类校外培训机构所有线下课程和集体活动，恢复时间将根据疫情防控工作情况另行通知。据了解，全国超过40万家校外培训机构基本全部停课。同时，国家卫健委宣布，3岁以下婴幼儿早教机构同样暂停线下培训。据悉，新东方、好未来等众多教育企业调整了寒假课程，将寒假班所有线下课程全部转为线上课程。好未来还宣布旗下未来魔法校和乐外教启动面向双师课堂合作伙伴的“避风港”计划，并面向全国所有教培机构免费开放直播云。

受到疫情的影响，在线教育将发生新的变化。经过这一轮大规模的使用和体验，在线教育和教育信息化或将迈上一个新的发展阶段。

图：部分在线教育企业疫情期间的援助措施汇总。

5、远程办公成为短期必然

由于此次疫情的波及范围比较广，全国的企业复工都受到了不同程度的影响。根据湖北省政府的通知，省内的企业不得早于2月13日24时开工，根据疫情的发展来看，大部分的企业正式开工时间将会延迟半个月左右。国内其他地区的开工时间也有相应推迟，有的在2月3日开工，有的要到2月10日左右。

全国各地复工时间推迟，为了减少人群聚集，防止交叉感染，不少企业都选择了前期在家办公，这使得远程办公成为了短期必然。

“远程办公”虽然早在上世纪80年代就在硅谷流行，但国内一直不温不火，疫情之后，这种方式会昙花一现，还是有可能成为未来企业办公的主流方式呢？

目前“远程办公”协同软件主要分为沟通IM、文档协作、视频会议/面试、任务管理四个主要类别。目前国内的云协作产品多以单品能力突出为主，比如文档功能、视频会议功能、或者单独的IM功能，如何将这些功能集成协同和保护数据隐私，是企业用户最为关注的问题。

在疫情期间，提供“远程办公”的企业推出了一些新的功能，具体以升级原有功能、上线健康相关板块和免费开放为主。此前，腾讯、阿里巴巴、字节跳动和华为等公司先后宣布，在疫情消散之前，旗下远程办公平台将向大众免费开放。比如：

企业微信： 疫情期间，会议人数上限升级至300人，支持随时随地发起音视频会议。主持人可管理与会人员；可投屏演示文档或屏幕，支持实时标注演示内容。

钉钉： 发布了支持“在家办公”的全套免费解决方案，包括远程视频会议、保障企业组织疫情期间消息精准触达的DING功能、日程共享、任务协同、在线文档协同、远程打卡功能等。与此同时，钉钉还发布了员工健康功能，员工可健康打卡“报平安”。

字节跳动的飞书： 2020年5月1日前，用户可免费使用不限时长音视频会议、不限容量在线文档与表格、审批管理等功能。同时上线“健康管理”服务，并向学校、企业等组织免费开放。

小鱼易连： 疫情期间，小鱼易连向全国政府机关、医疗机构、教育机构、企业单位免费提供100方云视频会议。使用小鱼App可通过微信、短信或邮件等方式向同事发出会议邀请，快速组成视频会议，相关成员输入号码即可加入会议。用户还可录制视频会议，会后分享或反复观看。

石墨文档： 开放远程办公版、不限席位；针对疫情需要的政府组织/志愿者组织，企业版在这段时间内不收取任何费用；针对初次使用的企业设计了一些基础模板：例如会议记录、项目进度表、财务管理等。

此外，还有华为云WeLink、苏宁豆芽、金山文档、中国移动“和飞信”、中国电信“天翼云视频会议”、全时云和Zoom等可供选择。

现在5G已经启航，远程协同办公有望成为B端的杀手级应用，本次疫情也可能会催化远程办公的普及。

6、智慧物流迎来发展良机

在深圳市疾控中心2月2日公布的三例社区传播患者的情况中，有一例外卖骑手的患者特别引人关注，他没有明确接触史，发病之前一直在深圳送外卖。这让在家待着，靠叫外卖维持日常生活的人们深感不安。

根据人类抗击传染病的经验，“隔离”被视为最有效的预防和控制手段。在新型肺炎确诊和疑似病例仍在持续增长下，每一次面对面的接触都增加了被传染的可能性。而如今网购、外卖等可以说是我们现在最为常见的行为，因此，在1月26日，美团外卖推出了“无接触配送”，并迅速实现全国覆盖。用户在下单时，可通过“订单备注”、电话、APP内即时通讯系统等方式，与骑手协商一个商品放置的指定位置，如公司前台、家门口等，送达后骑手将通过电话和APP内即时通讯系统等渠道通知用户自行取餐。针对医院地区的送餐，则是通过取餐柜等无接触设备送达。此后多家本地生活服务平台推出类似举措，比如苏宁、肯德基等也有无接触配送服务。

但这毕竟只是一时的权宜之计，其实“智慧物流”才是解决的关键。随着互联网+、物联网、云计算、大数据、人工智能、机器智能、区块链等新技术发展，智能物流装备及智能化运力、物流供需匹配平台、跨界企业等进入发展快车道，现代物流业正进入一个由技术驱动的智慧物流时代。

除资本市场外，越来越多的物流巨头以物流科技产业基金、集团研发投入等形式加紧布局智慧物流，其背后是对智慧科技驱动行业降本增效的高度期待。在仓储智能化设备方面，积极建设智能化仓库，重点聚焦搬运、拣选和分拣、码垛机器人以及自动拣选及皮带输送搬运机器人研发；在智能物流配送设备研发方面，重点生产研发无人机、送货机器人、智能柜等最后一公里智能化配送设备。

未来，中国物流行业有望进入全方位的无人化时代。

7、多模态生物识别方式迎来发展

疫情的迅速波及，一时间使得口罩脱销，另一方面，隐藏在口罩之后的人脸识别失去效用，不论是人脸识别支付，还是Face ID，以往的便利正在成为不便。

一个问题充分暴露出来：每种生物识别技术都有自身的技术壁垒，具有一定的应用局限性，无法覆盖所有应用场景。但是，每一种生物识别技术之间都不是完全替代的关系，更多的是融合应用，多模态生物识别——有望加速成为未来的发展趋势。一方面，它能够适于复杂场景下的应用变化，另一方面，也使得场景数据更丰富，识别更精准。

声纹识别已经在金融、安防、公共服务等领域得到较为广泛的应用，在智能手机锁屏、各类网络账号的声控密码锁、电脑声控锁、声控安全门、汽车声控锁中都是“非接触”识别中很好的应用思路，或者远程在线业务的办理时，使用声纹进行身份识别，都是下一步有望大量应用的方向。

虹膜识别技术落地速度已经开始加快，政府机关、金融机构等已经向虹膜方向发展。根据业内人士反映，虹膜技术民用化，手机可能会走在前列，下一步出现人脸和虹膜识别的结合。智能锁也可能是一个应用市场。与当前主流的密码锁、指纹锁相比，虹膜锁安全级别高，应用方便。

非接触的指/掌静脉识别技术也将逐渐得到更多应用。它利用人体血液中血红蛋白吸收近红外光的特性，获取手指/掌静脉图像，通过定位、增强、特征提取等算法提取特征值，同存储在服务器中的指/掌静脉模板进行比对，从而可确认身份，是一种活体生物识别技术。

指/掌静脉识别早期被用在公共领域，如社会治安防控体系的构建。随后，金融、教育、社区、高端公寓的安防应用中也逐渐引入相关技术及产品。不过由于成本问题，目前应用领域仍然以政府、军队、金融、医疗机构等为主，消费级应用较少。未来在无人零售、轨道交通等领域都有望落地应用。与发达国家相比，该技术在我国的渗透率还非常低，未来有很大的成长空间。

融合多种生物识别技术的平台，能够根据决策权重和场景需求，灵活自动配置适合的识别技术，是较为理想的状态。在具体的落地过程中，从技术角度看，硬件、算法不是当前的难题，更多面临着教育市场的一个过程，需要生物识别技术企业共同努力促进技术的商业化和规模化应用。

8、智慧医疗离大众更近

智能化医疗设备、远程医疗诊断、以及提前预防等将在智慧医疗中扮演重要角色。

算力在这场疫情战中起到的关键作用，亿级算力的免费开放，让疾控单位和科研单位可以将疫情的数据检测以几何倍数缩短。百度、腾讯、阿里、华为等公司目前都开放了自己的亿级计算资源。此外，还有强大的算法支持。

数字健康公司BlueDot提供的AI驱动算法，可以搜索外语新闻报道、动植物疾病网络和官方公告，得以向其客户发出提前警告。BlueDot将AI、大数据和流行病学融合起来，建立了一个早期预警系统。通过使用自然语言处理和机器学习进行训练，可完成自动数据筛选，之后由流行病学家分析结论，然后将报告发送给政府、企业和公共卫生客户等。

通过计算建模，根据这些模型例如动物、人类以及环境等因素的数据变量，将这些复杂的因素结合起来能够对下一次传染病的爆发进行预测。

另外，采用物联网连接技术开启数字化医疗，智能医疗设备实现病人体征数据测量和呈现，为医生提供全面有效的辅助支持。

总之，在今后的疾病预防、诊断与健康管理等方面，智慧医疗将进一步深入。

9、家居清洁装备需求将爆发

日前，广州市疾病预防控制中心在对新型冠状病毒的肺炎疫情监测中，在一名确诊患者家中门把手上发现了新型冠状病毒的核酸，是广州首次在外环境中发现。

日常家居细节中，有许多可能造成病毒间接传播的途径，容易为人所忽略，如手机屏幕、电脑键盘、水龙头等等，都需要日常清洁。

而自动感应水龙头能够避免洗手后关水龙头时沾染病毒，自动感应装备可以避免手直接触碰物品，防止交叉感染，这样的设备还包括自动感应冲水马桶、自动感应门、自动感应桶等。

随着人们对健康生活的重视与追求，预计家居清洁设备、环境监测设备的单品，以及带有自动感应功能的家居用品将迎来一波爆发潮。

10、大数据上云

大数据也成为这次疫情管控的得力助手，当前运用云计算、大数据等技术进行精确翔实的数据归集和分析，显得尤为重要，能有效助力政府进行科学化决策。

1月30日消息，希望组生物科技有限公司宣布完成了基于纳米孔测序技术的新型冠状病毒核酸全长检测试剂盒，以及基于纳米孔测序技术的宏基因组病原体检测方法，希望组与华为云技术团队一起，完成了实时激动的测序数据上云传输和计算试验，并通过华为云服务与AI技术能力，快速分析得到计算结果，确保没有固定IT基础设施的临时区域或缺少有线网络和本地计算资源的地点能够通过无线网络进行病原体的检测和分析。

1月31日，有媒体报道，新型冠状病毒感染的肺炎疫情防控工作正处于关键时期，安徽省合肥市庐阳区快速建立协同机制，协调华为合肥云创新中心免费开放华为welink视频会议系统，提供人口流动相关数据分析和智能应用，为疫情防控工作提供大数据技术支撑。截至目前，庐阳区数据资源局已通过大数据交互技术更新数据4次，筛查湖北入庐人员数据5000余条，有效实现防输入、防蔓延、防输出，有效遏制了辖区内疫情播散和蔓延。

还有，国家卫健委高级别专家组成员李兰娟院士在接受采访时表示，正在用大数据技术梳理感染者的移动轨迹，追踪人群接触史，已成功锁定感染源及密切接触人群。

从相关媒体的报道中可以知道，李兰娟院士的团队自疫情发生以后，就与相关方面进行合作，用大数据技术进行"无意识的密集接触者"的追踪。这一人群是没有明显症状的携带者，无意中接触到了疫区来的感染者，但自己并不知道，用传统的方法很难进行追踪。而对这一人群的及时发现和控制，是此次疫情的二代甚至三代患者数量控制的关键。

李兰娟院士的团队开始研究用"大数据"的方法来分析散落在各地的隐形传染源，整理后做出疫情趋势图。现在，疫情趋势图与真实情况的拟合度正在逐渐提升，对疫情防控起到了非常大的作用。

总之，疫情爆发过后终有散去的一天，但疫情对电子技术和应用的影响还在持续，它不仅将警示人类对野生动物的敬畏之心，更将督促科技的进步与电子应用的发展为人们带来和谐健康的生活。