新人工智能技术打破原子力显微镜传统限制：第一个给出了真正的三维表面轮廓【附人工智能技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

原子力显微镜(AFM)是一种广泛使用的技术，可以在三个维度上定量绘制材料表面。然而，AFM 的精度受到显微镜探头尺寸的限制。一种新颖的人工智能技术已经被开发出来以突破这一限制，使显微镜能够在材料分析中实现更高分辨率。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究人员推出了一种人工智能技术，开发的深度学习算法经过训练，可以消除AFM显微镜图像中探针宽度的影响。据《Nano Letters》杂志报道，该算法超越了其他方法，以低于显微镜探针尖端宽度的分辨率给出了第一个真正的三维表面轮廓。

该项目负责人，伊利诺伊大学材料科学与工程教授张英杰说：“准确的表面高度轮廓对于纳米电子学的发展以及材料和生物系统的科学研究至关重要，而原子力显微镜是一种可以非侵入性测量轮廓的关键技术，我们已经展示了如何变得更加精确并看到更小的事物，并且我们还展示了如何利用人工智能来克服看似无法克服的限制”。

通常，显微镜技术只能提供二维图像，本质上为研究人员提供材料表面的航空照片。AFM 提供完整的地形图，准确显示表面特征的高度轮廓。这些三维图像是通过在材料表面移动探针并测量其垂直偏转来获得的。如果表面特征接近探针尖端的尺寸(大约 10 纳米)，那么显微镜就无法分辨它们，因为探针太大而无法“感知”这些特征。几十年来，显微镜学家们已经意识到这一局限性，但伊利诺伊大学的研究人员是第一个给出确定性解决方案的人。张团队的研究生、该研究的主要作者 Lalith Bonagiri 说：“我们转向人工智能和深度学习，因为我们想要获得高度轮廓——精确的粗糙度——而不受更传统数学方法的固有限制。”

研究人员开发了一种带有编码器-解码器框架的深度学习算法。它首先通过将原始 AFM 图像分解为抽象特征来“编码”它们。在对特征表示进行操作以消除不需要的效果后，它会被“解码”回可识别的图像。为了训练算法，研究人员生成了三维结构的人工图像并模拟了它们的 AFM 读数。然后构建该算法来转换具有探针尺寸效应的模拟 AFM 图像并提取潜在特征。为了测试他们的算法，研究人员在硅主体上合成了已知尺寸的金和钯纳米颗粒。该算法成功消除了探针尖端效应并正确识别了纳米颗粒的三维特征。

图片来源：摄图网

技术价值观察

人工智能产业链上游为硬件设备和数据设备，其中包括芯片、传感器、大数据、云计算服务等，为人工智能提供数据服务和算力支持;中游是人工智能产业的技术核心，包括通用技术、算法模型、开发平台三个方面，涵盖了机器感知、自然语言理解、机器学习、图谱、基础开源框架等核心技术;下游是人工智能的应用产品和场景，涉及交通、医疗、安防、金融、家居、制造等多个领域。

研究人员推出了一种人工智能技术，开发的深度学习算法经过训练，可以消除原子力显微镜图像中探针宽度的影响，以低于显微镜探针尖端宽度的分辨率给出了第一个真正的三维表面轮廓。因此，从人工智能产业链上看，该技术处于产业链的中游环节，对技术层产生较大影响。

宏观市场观察

——当前全球人工智能处于第三个发展高潮期

人工智能至今已经有60多年的发展历史，其概念的提出始于1956年的美国达特茅斯会议，从诞生至今经历了三次发展浪潮。当前人工智能处于第三个发展高潮期，得益于算法、数据和算力三方面共同的进展。

——全球人工智能市场规模情况

基于人工智能技术的各种产品在各个领域代替人类从事简单重复的体力或脑力劳动，大大提升了生产效率和生活质量，也促进了各个行业的发展和变革。全球人工智能产业规模持续增长，2020年受疫情影响增速有所放缓。

根据IDC公布的数据显示，2020年全球人工智能市场的规模比2019年增长12.3%，达到1565亿美元。IDC表示虽然全球AI市场受到了疫情影响，但是对人工智能市场的投资将会快速恢复。

——近两年全球人工智能投资金额高速增长

从全球市场来看，人工智能的火热，离不开背后资本的助力。2014-2018年全球人工智能融资金额和融资次数逐年增长，2018年全球人工智能行业投融资事件共计1016起，投资总金额达1598.02亿元。2019-2020年人工智能投融资事件有所减少，2020年相关投融资事件仅有791起，但投资金额却逐年增加，2021年仅1-11月份，全球人工智能投融资金额已高达3227.60亿元。

——大数据和云计算为技术合作最热门的方向

从人工智能核心技术的合作密度来看，大数据和云计算的占比接近一半，达到46.47%;其次是物联网和5G技术，分别达到10.7%和8.1%;智能机器人、计算机视觉、自动驾驶分别占比6.39%、4.08%、4.05%。

——中国人工智能市场规模突破5000亿元

受益于国家政策的支持，以及资本和人才的驱动，我国人工智能产业蓬勃发展，已步入世界前列。根据中国信通院发布的数据，我国人工智能产业规模从2019年开始快速增长，2021年同比增长达到33.3%，2022年产业规模达到5080亿元，同比增长18%。初步统计，2023年规模达到5784亿元，增速放缓至13.9%。

——下游应用主要集中于智慧城市和企业智能管理

2022年，在人工智能下游应用领域中，智慧城市和企业智能管理的占比较高，分别达到12.16%和12.10%。智能制造、智能营销与新零售、智能网联汽车的占比都在8%左右，分别为8.89%、8.41%和8.07%。随着人工智能技术在不同产业的应用逐渐加深，人工智能已深刻重构着社会生产、分配、交换、消费等各个环节，并持续催生新技术、新产品、新产业，推动社会进入智能经济时代。

——发展趋势：推动人工智能可靠可控的发展，进一步与社会各方面融合

随着人工智能技术不断演进，人工智能已应用到人们日常生产、生活的方方面面。与此同时，人工智能风险引起普遍担忧，因此，对于安全可信人工智能技术的需要已经提升到前所未有的高度，推动人工智能可靠可控的发展成为全球共识。另一方面，随着传统行业数字化进程的提升，将提供海量的数据和丰富的应用场景，为人工智能的应用打开新的空间，使得其与社会各方面进一步融合。

中国人工智能技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示，与人工智能关键技术强关联的城市集群主要集中在华南和西北地区，并且以广深、西安市为重点发展区域，未来布局人工智能技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南、西北地区优先导入，其中可重点关注广东省广州市天河区、广东省深圳市的福田区及陕西省西安市雁塔区所处的人工智能相关企业，以及该地方对于人工智能产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

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更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国人工智能行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》。

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