从传感器到航天梦：褚君浩院士的科研探索之旅

勤奋好学，追求科学真理，

踏实渐进，实现创新跨越。

褚君浩 · 中国科学院院士

中国科学院2025跨年演讲

大家好，我是褚君浩，来自中国科学院上海技术物理研究所。非常高兴来到中国科学院2025跨年科学演讲活动现场，我今天要讲的内容是《放飞科学梦想，迎接智能时代》。

在18世纪，有以机械化为特征的第一次工业革命，当时最主要的发明就是蒸汽机。蒸汽机的发明推动了第一次工业革命，有了蒸汽机，耕牛、马车、帆船就发展成了拖拉机、火车头、轮船。

到了19世纪，有以电气化为特征的第二次工业革命，它主要是从实验室开始的。由于我们在实验室里面发现了电磁感应定律，之后就有了发电机、电动机。电动机、发电机的发现也促进了电气化的进程，推动了第二次工业革命。

在20世纪的第三次工业革命中，我们发展了原子物理、量子力学、固体物理、现代光学和半导体等这些科学，推动了电子技术、微电子技术、原子能技术、光学技术等等的发展。第三次工业革命就可以说是信息化工业革命。

第一次工业革命机械化，第二次工业革命电气化，第三次工业革命信息化。现在我们正处在信息化高度发展的时期，即将迎来的那个时代该用什么词来描述呢？

那就是智能化的时代。它的特点就是智慧融入物理系统，人工智能融入物理世界。

这几次工业革命的特征都是科学与技术交叉推动，同样，第四次工业革命的主要特征也是如此。

智能化的时代产生了很多智能化的系统，智能化的系统里面有两个核心技术：一个是实时感知技术，这个相当于人的五官，主要利用传感器、芯片来实现；第二个就是智慧分析技术，这个相当于人的大脑，主要通过模型分析和大数据分析来实现。

当然，我们也可以把感知跟分析融入同一个芯片里，那就是智能芯片。

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传感器：智能时代的基石

我们现在做成了各种各样的传感器，它们能够感知这个世界，就是因为物质的不同运动形态可以相互转换。光、声、热、电、磁，一直到生物学过程，都能够互相转化。发现了这些互相转化的规律，我们就能让传感器实现各种信息的传感。

如果我们平时注意，就会发现日常生活中有很多传感器的应用。家里的相机、手机、游戏机，还有智能家电，各种传感器在我们的生活中都发挥着重要作用。

汽车里面的传感器就特别多，有压力、温度、位置、浓度、流量、声音、光、电等等好多类型的传感器。其中，压力传感器数量最多，有二十几种，温度传感器也有十几种，都分布在汽车的不同地方。

这是一个打乒乓球的智能化机器人，是上海一家高科技公司做的。它能够实时动态感知，能“看见”这个球，也能分析这个球是怎么过来的，还能自动做出反应把这个球打回去。

我们现在有分子传感器、化学传感器还有各种物理传感器，其中MEMS传感器（Micro Electromechanical System，微机电系统）是非常重要的一类。它被做成了芯片形式的微小结构，如果有光、声、力、电磁等信号进来，就会造成影响，使微小结构发生机械行为应变。而机械行为应变又会产生电信号，所以我们把这种传感器叫做微机电系统。利用这个原理，就可以制备光、热、加速度、气体、压力等多种传感器。

MEMS压力传感器在各个方面都有应用，比如血压计、呼吸机、手机等等其中都有MEMS压力传感器在工作。

智能制造也需要灵敏的传感器。举个例子，智能加工过程中非常重要的一件事就是要知道用于加工的刀具的压力是否过大或者过小，有没有发生一些特殊情况。

于是，我们把一种PVDF压电薄膜（聚偏氟乙烯压电薄膜）做成传感器，把它安装在了刀具上面，就能够感知到刀具的压力情况了。如果发生异常，它就可以及时采取措施。利用这样的传感技术，我们就可以做成智能刀具用于智能加工。这就是一类MEMS传感器的应用。

另一类比较重要的就是光电传感器。光电传感器是传感器里面一个非常大的类。

我们见到的所有的光都是电磁波。按照波长来说，波长很长的是无线电波，然后是微波炉里面的微波，波长比较短的还有毫米波、太赫兹波（THz光）、红外波、红橙黄绿青蓝紫各种可见光、紫外线、X射线、γ射线等等，波长都不一样。

我们利用不同波长的电磁波，通过一个光电器件就可以实现光电转换，做成太赫兹探测器、红外探测器、紫外探测器、X射线探测器、γ射线探测器等各种各样的探测器，也可以做太阳能电池。

▲光伏型，光－器件两端产生电压

它里面有好多核心的过程，比如光打到我们的半导体PN结的结构里面，这个光就会激发电子-空穴对。电子是带负电的，空穴对是带正电的，它们在材料里面就会输运移动。

如果说它们移动到PN结的界面，界面存在着内建电场，就会把电子拉到一端，把空穴拉到另一端，那么这个器件两端就会产生电压，就有电信号出来了，这样就能够感知，可以做成光电传感器了。

所以在这个过程里，必须要搞清楚光打进来能够激发多少电子-空穴对、电子-空穴对在里面能传多远、PN结里面的电场有多强、能不能把电子和空穴分开、分开了以后电子和空穴能不能取出来等等问题。

▲核心科学技术——半导体中的光电转换过程

这里面有两件事情非常重要，一个是科学的道理和图像要非常清晰、定量，同时在技术上面也要把材料做得非常极致，完全符合我们这个器件的要求，才能做得非常好。如果这个材料做得不纯，里面有杂质缺陷，它就会变成一个复合中心。光产生的电子-空穴对就会有杂质出现，在它那个地方复合掉了以后，电子空穴就不能到PN结里面去了，也就不能分开了。

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红外探测，火眼金睛

对于红外探测器，我们的目的是要做一只“慧眼”，尤其是要像孙悟空的火眼金睛，或者二郎神额头上的第三只眼，一看就知道那是什么东西。它要能够全天候地拍照，不论白天夜晚；它要能够非接触地测温，知道你的温度分布；还要能够识别光谱纹，这和指纹识别一样，它要能通过光谱纹来识别材质。

▲红外传感器

我们把它做成一个智能传感器芯片，通过电磁波得到信息，电磁波的波动世界大数据就会告诉你所有信息的情况。

比如你看我们全天候能够拍照，没有灯光和太阳的夜里，照样能够很清晰地用红外传感器来进行拍照。

你看这两张照片，左图有个大硅片把后面的英文字母就遮住了。我们用可见光的照相机给它拍照，字母SENS后面的字就看不到，光线穿不过。但是如果我用短波红外的照相机来拍照，SENS后面的文字ORS就能看到了，因为短波红外的光能够穿过硅片。

再看这个苹果。用可见光相机拍出来的苹果很好，但如果用短波红外相机来拍这个苹果，就能发现这个苹果是坏的。

我有一次家里买的苹果买来的时候很好，切开来是坏的。我就想，当时怎么没有去拿相机去拍一下这个苹果。当然人家也要说这位老先生有点“书呆子”，怎么买苹果还要带个相机。

左图里有一个人拿了一张报纸，用可见光相机拍出的照片非常好，看起来就是一个正人君子。但是如果我们用响应波长非常长的太赫兹传感器的照相机去拍，就会发现他的报纸里面藏了一把刀。

太赫兹（THz）是说它的频率是10的12次方，转化成波长就是300微米，比红外的波长更长，过去也被称为远红外。

像这样的技术现在已经投入应用了。我们乘高铁时，如果说你买的是在上海或北京的商务座，进站的时候就要经过一个太赫兹人体安检设备，用来检查有没有携带违禁品。太赫兹探测器系统有个好处就是可以多次进行探测，它对人体没有危害，我们可以利用它做安检。X光也能做这个事情，但是X光对人体有影响。

有一次我把一个保温杯放在胸口走过去了。安检人员就说，你的胸口处带了个东西。我说是的，我带了个保温杯，想看看你们这个设备好不好。当然设备是灵的，但是系统的灵敏度还有待提升，分辨率也不是太高，还会逐步发展。

红外技术在各行各业还有更多的用途。比如风云系列卫星已经发射了二十几颗了，这是国家重大的需求，也是科学技术前沿成果的体现。风云卫星的主要工作是什么呢？我们从它的名字就知道了，风云卫星就是要看风云，读气象。

这些卫星上面就有中国科学院上海技术物理研究所做的红外相机系统，它上面的碲镉汞红外探测器可以对我们的大气风云进行全天候观测，而且它有不同波段的相机。

这15张图里，左上角那张是综合的图，后面的14张图就是14个从近红外、短波红外、中红外、长波红外一直到14微米波长的不同的红外相机成的像。通过这个方法，我们就可以得到大数据，之后就可以分析了。

这是我们收集了大气的数据以后，对不同高度的大气的温度、湿度作出的图像。也就是说，现在不同高度、不同地点的温度和湿度我们都能监测到，这样我们的气象报告就会很准。

▲多通道扫描成像辐射计

我们实现了国际上首个静止轨道干涉式垂直探测仪器，可以在3.6万公里的高度对大气实现高精度的温度、湿度参数的垂直结构观测，这相当于对大气做了CT扫描。

我们这方面的水平在国际上都是领先的，所以我们现在气象报告特别准。台风什么时候到什么地方，我们都可以精确地知道。我们可以知道明天的、一个礼拜以后的天气预报，甚至可以知道几点到几点某个区域的气象报告。

红外传感器除了全天候都能够得到信号以外，还能够进行温度分布的测量。图中电缆的温度已经发烫了，但是还没短路。我们从热成像图就可以看到那个地方温度高，就要派人去修了。

图中工厂夜里排污排出来的污水也能被看到。

在电路板上有两块集成电路温度升高、正常工作，但左边那个集成电路温度特别高，我们用红外摄像头一拍也能知道。

热成像还可以体现出，一个人的脸不同地方温度是不一样的。

这是我在试用红外摄像机，我正在讲话，就连我有两颗假牙齿它都分辨得出来，因为温度不一样。而且我剃掉了胡子，但是胡茬还在那里，这里的温度就跟脸颊上的皮肤不一样，它也能区别出来。眼镜温度比较低，所以成像是黑的。鼻子吸了冷空气进去鼻孔就是黑的，呼了热空气出来它也能分辨出来。所以我们可以用红外传感器测出温度的分布。

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从地球、月球到火星

红外传感器接收的是电磁波，电磁波有频率、强度、位相、波矢、偏振等等好多参数，再加上空间维度上的地点位置以及时间维度，就可以形成大数据。大数据就可以用来做很多智慧分析的工作，我们就可以分析出目标对象到底是什么材料什么成分。

比如我们现在的指纹设备。大家都知道每个人的指纹都不一样，设备也可以通过这一点分辨不同的人。那不同物品的光谱也像指纹，是不一样的，甚至不同水果的光谱都是不一样的。这些图的横坐标是波长，不同波长的波反射的光的强度是不一样的，就会形成这样的光谱。

▲生菜8个不同生长阶段的光谱曲线数据

想要做光谱分布的智慧分析，首先要收集数据做数据库。我们用红外摄像机采集植物的光谱，这是生菜8个不同生长期的光谱曲线数据，每个阶段的光谱也不一样。

我们得到了这样的数据之后，把它存入数据库，就可以用它分析了。比如现在中国科学院上海技物所做了一种高分辨率高光谱的卫星来观察地面，它的任务是“看清”地球，相当于地球的“CT机”。

比如想要发现地下有没有矿物，就可以用这个卫星。这是不同矿物的光谱，特征都是不一样的。地下的矿物会渗透到地球表面来，虽然含量非常弱。即使如此，我们高分辨率高光谱的卫星也能够知道它的存在。我们的卫星在上面观测地球采集光谱，然后跟数据库比对，就可以知道某一个区域下面是否存在某种矿物，然后我们再派人去观察、开采。我们中国利用这个数据库可以找到好多矿物。

比如这是上海崇明岛，它的纵坐标每一点都代表一个光谱，不同颜色的线代表建筑、灌木、乔木等的光谱，每一点都有自己独特的光谱，这样我们就可以很好地分析城市的特点。

▲Mengwei Jia et al., Environmental Science

and Ecotechnology, 2022

管道泄漏了以后，你怎么知道它是在哪里泄漏的呢？这张图是高分五号02卫星监测到的，是中国科学院上海技术物理研究所做的一项工作。它通过遥感检测发现了北溪2号天然气管道泄漏的准确位置，就是图中标记着红点的地方。

那么泄漏的是什么东西呢？我们再把它的光谱分析出来，之后跟甲烷气体特征光谱比对，就可以知道这个地方是以甲烷为主的天然气泄漏了。

这样的工作我们中国科学院上海技术物理研究所在月球上也会做。月亮的正面有嫦娥三号在作业。可以看到嫦娥三号降落月球的的时候，发现地面不平整，于是它移动了大约25米之后平稳地下去了。

嫦娥三号装载了“玉兔号”月球车。这个月球车上有一个红外成像光谱仪，有了它我们就能得到月球表面的光谱信息，分析月亮表面的成分。

嫦娥三号在月亮的正面，更加困难的任务是在月亮的背面，那里还没有人类上去过。我们的嫦娥四号是在月亮的背面工作的，它上面也有这种光谱仪，负责采集月亮背面的光谱来分析月亮表面的成分。

现在我们嫦娥四号所在的位置就是右上角那张图上面的冯·卡门盆地那里，它在那采集岩石的光谱来分析成分。

这里的岩石材料有个特点。它不是原来就在那里的，而是曾经有一个小天体打到了一个小的盆地里面，把里面的月球物质溅出来了，就溅在冯·卡门盆地上面。所以我们现在的月球车在那里分析光谱，得到的结果就能说明月球里面的物质是什么成分。

▲左：火星矿物光谱分析仪

中：“天问一号”环绕器与着陆巡视器

右：火星表面成分探测仪

这种前沿的科学研究我们在火星上也做了。在火星上，我们既让卫星绕着火星转，采集火星表面的光谱，又有火星车直接在火星上面获取火星表面的光谱。

红外技术的应用非常多，从科学研究中的对地观测和透明地球，航天工程和深空探测，一直到我们的人工智能和智慧地球，红外技术在多方面发挥着它的作用。

▲左上：MQ-9A无人机(配备MX-20 IRST系统)

右上：BPLA400T热成像侦察无人机（384×288非制冷探测器）

左下：Orion-E无人机(配备EO/IR系统)

右下：Bayraktar TB2无人机(配备MX-15D 系统)

甚至包括在现代战场上，有好多无人机上面都搭载了红外传感器，就是为了实时感知。这就相当于让五官飞到对方的阵地上发现目标，分析这个目标的位置，定位，然后再进行实行打击。

正因为红外探测器跟军事有些关系，所以它一直都是一项敏感的“卡脖子”的技术。我们中国科学院就是通过自主创新、自立自强，自己发展红外探测器的。从碲镉汞窄禁带半导体的物理规律的发现，到材料的制备，再到红外探测器的研制，一直到空间探测甚至多方面的应用，我们都是独立自主地来做这个事情的。

▲不同半导体材料制备的红外探测器

当然，做红外探测器也很难。图中有好多材料制备的红外探测器都有缺陷。这个图的横坐标是波长，纵坐标是探测的灵敏度。一种材料可以做某一类红外传感器，它就享有一定的波长范围。

这就涉及到了材料技术器件结构、物理模型、工艺优化、工程实践等环节，涉及到物理基础、数学基础、实验基础等知识，还涉及到我们的思维方法、科学精神等等，特别是涉及到我们的学习能力、理解能力、思维能力、动手能力。

对年轻人来说，要做这些高科技的工作需要很好地培养和训练自己。尤其是要让自己对科学有兴趣，要有责任的意识。

现在红外技术和传感器技术的应用非常广泛，这些都属于多传感多频谱及其融合和集成传感技术，也就是现代传感技术。现代传感技术发展了多种类型的传感器，红外、紫外、X光、γ射线、压力、振动、声响、电磁、化学、生物、单光子等传感器，同时发展多频谱范围的传感技术。甚至发展了单细胞、单分子、单原子、单光子信息传感技术，发展的速度也很快。

MEMS传感器和光电传感器都相当于实时传感，相当于我们的五官实时传感，它需要做到高分辨、高灵敏、高功能、全波段，而且要智能化。得到了信息以后就要进行智慧识别，智慧识别以后还要及时反应。

它可以用于人工智能、智慧城市。互联网和物联网可以使我们逐步走向智能时代，人工智能和智慧城市的广泛应用可以把我们的城市建设得更美好。

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从小草开始的成才路

接下来，我来说说培育科学精神。

这是我小时候和现在的照片。右图是我在香港做报告时拍的，看起来蛮像样的一个科学家。

但我是从“小草”开始成才的。小时候，我的功课其实并不好，我小时候在华东师范大学附小念书。我父亲是华东师大的老师，学校一成立他就去了。这个就是我的毕业证书，很多功课都是4分，但是自然是5分，因为我喜欢自然。写字3分，字写得不好。

后来我回到高中母校徐汇中学时，校长让我给学校写几个字，我就写了“古今传承，东西汇通”。我一共写了十几张纸，然后在里面挑了三张勉强可以的字给校长了。我说我从小写字就写得不好，现在把勉强写的这几张给你们吧。他们还把这个刻在墙上了。

所以我就在想，“少壮不努力，老大徒伤悲”。小时候不努力，后来到要用的时候，就不能很好地发挥作用了。

有一次我到师大附小去给小朋友们面对面做科普报告。我念书时的校长是陈先墀老师，他很激动，于是就写了一封信到会场。他说：“我们要教育儿童像你一样，锻炼身体、会玩、会动手动脑，在课内外努力学习，像你一样广交朋友，热爱自己的工作，天天向上。”他对我还有印象。

小学六年级的时候，我参加过上海市的青少年运动会。我是普陀区60米短跑的第二名，亚军，得了一个银质奖章，这个奖章现在还在我办公室放着。

到大学念书的时候，我帮系里的黑板报写了篇文章，题目叫做“勤奋加智慧等于力量”，署名坦牛。人家问什么意思？我说是在平坦的原野上，像牛一样努力地工作，所以叫坦牛。其实我心里是怎么想呢？我想的爱因斯坦和牛顿。因为我很想当一个科学家，有一种植根于内心的科学家情节。

大学毕业以后，我当了中学老师，也很努力。当时的物理叫做工业基础知识，我当时还把手扶拖拉机开到学校里面来。因为手扶拖拉机手扶的那里有杠杆原理，开起来有运动学和动力学的规律，气缸里面有内燃机，有热力学的规律。所以我把手扶拖拉机跟物理学的一些规律结合起来教学，经常上公开课。

后来，上海市工业基础知识成立的教材编写组里，我是成员之一。其实我那个时候很年轻，大学毕业没多久就在中学里面教书，从1968年到1978年，一共教了10年。

那个时候我还写了很多科普文章，在《文汇报》《解放日报》上都写过，还写科普书，《能量》就是我当时写的科普书之一。

这些都是我在做中学老师阶段写的手稿，我写了以后再修改，改到不能改了了之后，再重新抄一遍，抄一遍之后再改。当时没有现在的计算机那么方便。

我还经常到上海图书馆去看书找资料，把英文文献拍下来或者抄下来翻译成中文，仔细地研究。

当时我们上海有个“基本粒子迷”，是复旦大学物理系殷鹏程老师，他领导我们几位中学老师一起参与研究，还写基本粒子的论文。

到了1978年的春天，我可以考研究生了。我大学同学的父亲叫严东升，他知道我很用功，就推荐我考中国科学院的研究生。严东升老师还帮我给中国科学院技术物理研究所写了推荐信。

▲黄昆、谢希德 编，《半导体物理学》

考试要考《半导体物理学》这本书，我在大学里没学过，但是我普通物理和理论物理学得好，于是我自修了这本书，自己推导公式来研究里面的关系。后来我考试考了90分，拿了第二名，就来到技物所当研究生了。

所以我感觉，要做科研，在本科阶段打好基础非常重要，特别是学习新知识的能力要培养好。这个能力怎么培养呢？就是基础要打得好。你看普通物理和理论物理学得好，就可以自修半导体物理，就能很容易地把新知识掌握好。

▲汤定元院士

来到中国科学院上海技术物理研究所之后，我就跟随汤定元先生研究碲镉汞，研究半导体。

其实在第一次世界大战和第二次世界大战时期，人们对红外探测器已经有了很多研究，比如硫化镉、硫化铅、锑化铟等等，但它们的响应波段都比较短，只有3-5微米。或者1-3微米。是跟我们人体发出来的红外光差不多。

我们身上存在两种光，一个是反射光，灯光照在我身上会产生反射的，这个是可见光。如果把灯关掉，就看不见了。另一个是人体的红外辐射，我们人体的温度是37℃，红外辐射的波长是10微米，所以肉眼是看不见的，除非用能够感知10微米红外光的红外摄像机，那就看得见了。

那么什么材料能够敏感地感知10微米的红外光呢？有一种材料是在锗里面掺汞。当时国际上面用的材料就是锗掺汞，技物所当时也在做锗掺汞的探测器，但是它的缺点就是它要在液氢温度下工作，也就是说这个芯片要放在一个制冷器里面，绝对温度要达到－230多℃。

那么怎样找一个工作温度高一点的材料呢？我们有几种材料可以选择，其中一种就是碲镉汞可以看到，这里面有个组分X是可以变化的，不同的组分可以响应1-3微米、3-5微米、8-14微米不同的波长，因此是最好的红外探测器材料。汤定元先生就锚定碲镉汞是红外探测器最好的材料，开展了研究。

这在当时是一个很有先见之明的决策，因为同时有好几个材料可以选择。但现在，我们已经可以证明这的确是最好的材料。当前在军事上或者空间探测上都是用的这个材料。

我有幸在1978年考取研究生之后，就跟汤定元先生研究碲镉汞窄禁带半导体材料。因为这个是“卡脖子”的问题，所以我们必须以科技自立自强的方式来进行研究，所以研究方向很重要，自立自强的信念也对长期的研究来说也非常重要。

我们的确研究得比较顺利，我跟着汤定元先生在碲镉汞窄禁带半导体的科研方面做了一系列的工作，发表了好多论文，我们对碲镉汞材料的光学性质、电学性质、能带参数、输运现象、晶格振动等等做了物理学上的系统研究。

这也在国际上产生了一定影响，他们知道中国科学院上海技术物理研究所在这方面做得很好。国际上一本最权威的叫LANDOLTBORNSTEIN的科学手册，它的中文名字就是《科学技术中的数据和函数关系》。这本手册每隔10-15年就要修订一次，把最新的资料补进去，我是作者之一，负责修订含汞化合物的部分，国际上面所有发表的论文，只要是含汞化合物，所发表的结果能不能被编进这本书里面来，都要由我来写。这也是因为我们在这个领域做了系统性的创新工作，所以在国际上具有了一定的地位。

国际上的从业者还叫我写专著，因为那时候碲镉汞窄禁带半导体还没有一本完整的系统性专著。所以他们让我来写，还评价说：“现在他们不仅赶上世界水平，而且在某些领域走在前面……这就是为什么他是写这本书的最好人选。”

后来我就写了《窄禁带半导体物理学》这本书，先写了一本中文的，再把它翻译成英文。书很厚，90多万字，翻译成英文之后就一本变成两本了。

中文版的书是汤定元先生写的序言。窄禁带半导体是半导体科学里面的一个重要分支，他说据本人所知，这是国际上面的第一本专著。

我们在科学上面做了大量的工作，而这些科学规律的发现又指导和支持着我们材料的制备与器件的研究，使得我们材料制备性能非常好，器件水平也非常高。而这些很好的材料和红外探测器的器件买是买不到的，只能靠我们自己来做。

利用这些我们自主创新研究的器件，我们就实现了风云卫星的应用、火星探测、空间探测等，使许多重大工程应用都能够得到发展。

所以从我自己从事科学研究的经历来说，我也有一些感悟。我的感悟就是，首先要调动我们的内心动力，主要是要以表扬为主，激发正气，积极思考，把内生的动力调动起来。

然后就是要培养科学的兴趣，要对科学非常有兴趣，要有好奇心。要如饥似渴地读书，要培育发展自己的特长。

还要有远大的志向，要目标如一，坚持不懈，要一步一个脚印地坚毅前行。

我们还要融入时代的潮流，把自己的工作与祖国的科技发展结合起来，同发展共成长。

我办公室里有一幅对联，“勤奋好学追求科学真理，踏实渐进实现创新跨越”。

我想用这幅对联和我们广大的青年朋友们以及社会各方面的人士共勉，把我们的工作做得更好，让我们的经济和社会发展得更加繁荣，通过科技创新促进多方面的发展，同时很好地培育自己，贡献我们的社会。

谢谢大家！

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本文转载自“格致论道讲坛”，原标题《人家问我笔名“坦牛”的意思，我说要像牛一样努力，但心里想着爱因斯坦和牛顿 | 褚君浩院士》。

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