论文部分内容阅读
你能够想象吗？一种机器小得人眼难以看到、一种带齿轮工作的机器跟一簇花粉差不多大，而这些机器每次可制成数千个，而且每个耗资仅几个美分。它们可有千变万化的应用，例如微型机器人可以穿过动脉血管进行清理，或是落在肿瘤部位施放抗癌药物，或是作为一个微型修补机器人，可自动测试和修理电子电路。还有的可作为微型工厂的组成部分，加工制造较大、更复杂的机器，或是制成与自己相似的机器，这就是人工智能微型机器的未来。
尽管这些在今天是科学的幻想，而它却是未来的科学现实。全世界的科学家与技术人员几乎每天都在努力地工作，将许多技术向微型化发展。如发动机、传感器、工具、计算机芯片、医疗诊断辅助工具、通信设备等，现在让我们来假设一下，看看下面许多设备虽小，但它们却给人们的生活带来了极大的方便。
逐渐缩小的计算机
领导这种变革的是计算机工业。在过去的50年间，计算机的硬盘已经缩小了800倍，同时，它们的信息容量却增加了2.4万倍。晶体管很快将发展成仅有90个原子膜厚——比病毒还要小得多。然而，在缩小诸如计算机芯片的静态物质和缩小带有多种传动部件的机器方面是有许多区别的。
20年前还从未听说过的微型技术——或微型机械系统，简称MEMS，它已成为这场技术革命的主要部分，这场革命将导致人们开始生产用微米，而不是用米测量的机器。
微型机器
美国加州大学伯克利分校的研究人员已经研制了世界上最小的内燃发动机：是有创造性的WANKEL汽车发动机的缩小版。它没有采用活塞和汽缸，而是采用了传动发动机。这种传动发动机直径仅1毫米，如果汽车按这样的比例建造而成的话，只能放进一个火柴盒。测试已证明，这种传动发动机靠一个更轻的燃料电池做动力，能每分钟转4万转，产生26毫瓦的机械能或电能。这一内燃机的研究小组相信这一内燃机能驱动一系列机械设备，或取代常规的电池。例如，在便携式电脑中，无需充电就可持续使用。
另外，对微型发动机和电源，工程师也已制成了微型机械系统的其他关键部件：齿轮、传动带和传动机构。美国桑的亚实验室的科学家，已经开发出细如发丝的硅齿轮——大约直径仅70微米——传动跨度达50微米。50个相连的硅齿轮形成了硅链，就像自行车链条，功能与之相似：能够把机械能从一个地方转到另一个地方。电广泛使用电力之前，工厂都是靠机械系统作为动力的。工厂的核心就是蒸汽发动机，它转动主驱动杆把能量传给传动带再带动机床，未来的微型机械系统将会是19世纪工厂的缩微版。
像加州大学伯克利分校的传动引擎的中央动力源，是通过微型链条和硅齿轮驱动机床。但是，这不仅仅是缩小发动机、齿轮和链条。
微型显微镜
加州大学伯克利分校的路克·李教授研制了一种仅有一个立方微米的显微镜，这种显微镜的中央镜片更小——仅有一个英文的句号那么大。该教授研制的这种显微镜被称作微型共焦图像排列或简称“微型-CIA”（MICROCONFOCAL IMAGING ARRAY）。激光光束可以通过一系列镜片和反光镜，这些镜片可移动或调整，因此光束可以扫描整个检查的样品，还可探测样品底面构成一个与CAT扫描类似的图像。这种创造三维图像的能力，使之成为研究植物构成细胞复制的重要工具。它也可称之为电子扫描仪的缩微型，但是，常规的共焦显微镜大如台式电脑，费用很大，且还要培训操作人员。
这种“微型-CIA”虽然具有共焦显微镜的功能，但却小到能放在人体内。它将一台价值百万美元的机器变成了能在圆珠笔尖上平衡的尺寸。它也不用反射镜、透镜和激光，它只需用一个发光二极管，一个聚合物镜片和一个由静电荷驱动的传动系统，并可与别的光学系统相连。
该教授说，医生可将这种“微型-CIA”植入病人体内，寻找发病的细胞如癌症等疾病，并监视治疗。可以说，“微型-CIA”不仅仅是将显微镜缩小，而且还会将两种技术结合，即光学和微型机械系统在未来医学上的应用。
微型望远镜
让如今的技术缩小化的主要动力就是太空技术。离开地面进入地球轨道的发射费用每一公里要1万美元，因此为了减少耗资，就必须进行技术上的缩小化。麻省理工学院的空间纳米技术实验室主任领导的一个研究小组，已为9项空间计划，其中包括美国航天局的钱德拉 X-射线观测站研制出了微型化的组件。
传统的X—射线太空望远镜如钱德拉使用很重的玻璃块作为光学系统，这些玻璃必须经过绝对认真地切割和研磨。所以花费巨大，钱德拉的光学系统价值就高达1亿美元。因此 ，科研人员一直想把X-射线的光学系统轻型化、廉价化，从而适应未来的需要。
这个研究小组正尝试用厚仅有几百微米的玻璃膜制成光学系统。这些玻璃膜靠一种“微型梳状插头”（一种仅几厘米长的梳状器件）精确地固定在望远镜上，以保证该光学系统的准确性。这种梳状器件在计算机上设计，并利用平板印刷技术制成。
如果这一研究小组获得成功的话，那么下一代X-射线望远镜的光学系统的解像力要比如今的好上100万倍，这样的解像力能使我们看清星系中的超质量黑洞。
纳米技术
缩微化的趋势并不会小到微米大小就结束。科学家已经向纳米技术发展，用分子和原子制造机械。
目前，科学家试图通过操纵单个的分子和原子来制造工作设备，这远比建造一个微米机器难得多。这是因为最微小的蚂蚁，裸眼很难看见。可以想象比1只蚂蚁小1000倍的物质，这就是如今实验室中微米大小的微型机器上的最小配件，微小的程度可想而知了。然后再想象比微米还要小1000倍的，就是纳米了，因此，要建造这么小的机器相当不易。
纳米管
几年前，一位日本研究人员在一些废弃的实验物品中发现了被称之为 “碳纳米管” 的微小单纤维，它是纳米技术中最具有前景的物质之一。加州大学伯克利分校的阿莱克斯·才特教授用碳纳米管制造了一些世界上最小的轴承、开关和电子元件。碳纳米管是一些平的碳原子薄层，它们被卷成圆桶形。别看它小，可比钢和钻石强硬100倍，但是，它们如此之小，以至40万千米长的碳纳米管折叠起来只有1立方厘米。
然而，硅基微型机械系统的难题之一就是摩擦。但阿莱克斯·才特教授证实，碳纳米管能制成不怕磨损的轴承。这些不磨损的轴承可以置于机器中几乎可以永不停地运动。另一个实验证明，就是用纳米管制成超快速开关。实验中，研究人员将一较大的纳米管外层剥离，剩下由第二层纳米管包裹的中心纳米管。通过电子显微镜来看，纳米管就像一个袖珍望远镜——中心纳米管在第二层管处来回滑动。因此，它可以做开关，是一种超速开关。当它打开时，中心纳米管就跳回原来位置，速度还不到一百亿分之一秒。
纳米管是用纯碳制成，具有惊人的导电性。根据它们的结构，它们能像金属一样导电，或是起到半导体的作用，只在一特定电流超出时，才让其流过。阿莱克斯·才特等人已证明，碳纳米管能像一个基本电子器件那样工作。
最有趣的就是在实验室中研究的课题与我们每日的生活密切相关，从用做结构材料、电子材料到化学感应材料，这些都有碳纳米管带来的影响。
纳米线
很快又有一项技术要离开实验室走向实际应用，这就是微细的硅线，它也同其他大“同胞”一样能导电。哈佛大学教授查尔斯·M·里伯已研制了一种“纳米线”，能检测到叫做前列腺特殊抗原（简称PSA）蛋白的细微量。前列腺特殊抗原可当作前列腺癌的标志剂：血液中PSA的水平提高便显示出恶性肿瘤细胞的出现。纳米线的直径仅有10个纳米，比病毒还小5倍。里伯已能将抗体和PSA用纳米线连接。如果抗体遇见血液样本中的PSA，那么它们就会将其抓住。由于PSA的分子携带微小的电荷，纳米线的导电性则会变化。因此，纳米线这样小的电压变化会表示出血液样本中肿瘤细胞的出现。而且这种装置能马上检测出如今通常花几天时间才能检测出的前列腺特殊抗原（PSA）。
这种检验过程可以靠一个芯片，它能制成廉价、个小的医疗诊断测试仪器。里伯教授认为，有理由相信，以纳米线为基础对前列腺特殊抗原（PSA）的测试在未来几年间就可普及。如果里伯教授等人能创造可检测前列腺癌的纳米仪器，那为什么没制造出检测其他种类癌、病毒和病菌的仪器呢？里伯教授说，目前，他们已开始对检测其他癌和疾病的纳米产品的开发，尤其是检测乳腺癌的纳米材料产品。由于目前没有像检测前列腺特殊抗原（PSA）那样的标志剂，故而检测乳腺癌更为困难。乳腺癌和卵巢癌的标志剂还没有明确的把握。不过，里伯教授说，我们需要把几条纳米线上的抗体结合在一起，我们可以制成一个含有容纳10种不同抗体的10条纳米线的芯片，让大众尽早受益。
里伯教授的研究小组，目前正在研制能检测少量病毒和细菌（从流感病毒开始）的纳米线仪器。因为病毒比前列腺特殊抗原蛋白要大，它们能携带更大的电荷，因此它们就更能容易地被检测到。
尽管这有点像科学幻想，但未来微小世界已经走进了人们的日常生活。据计算机处理器芯片制造商INTEL公司说，2004年将有含仅90纳米的组件的芯片出现。到2005年，INTEL公司能制造如此小的仪器，即无线电收音机能装入普通计算机芯片，而个人计算机对个人计算机的对话，则无需调制解调器等设备。INTEL公司也在研制碳纳米管和硅纳米线。到2010年，这些技术可能会取代标准的晶体管，并成为芯片的组成部件。未来的机器或其他用品将会变得很小，但却会更美、更实用。
尽管这些在今天是科学的幻想，而它却是未来的科学现实。全世界的科学家与技术人员几乎每天都在努力地工作，将许多技术向微型化发展。如发动机、传感器、工具、计算机芯片、医疗诊断辅助工具、通信设备等，现在让我们来假设一下，看看下面许多设备虽小，但它们却给人们的生活带来了极大的方便。
逐渐缩小的计算机
领导这种变革的是计算机工业。在过去的50年间，计算机的硬盘已经缩小了800倍，同时，它们的信息容量却增加了2.4万倍。晶体管很快将发展成仅有90个原子膜厚——比病毒还要小得多。然而，在缩小诸如计算机芯片的静态物质和缩小带有多种传动部件的机器方面是有许多区别的。
20年前还从未听说过的微型技术——或微型机械系统，简称MEMS，它已成为这场技术革命的主要部分，这场革命将导致人们开始生产用微米，而不是用米测量的机器。
微型机器
美国加州大学伯克利分校的研究人员已经研制了世界上最小的内燃发动机：是有创造性的WANKEL汽车发动机的缩小版。它没有采用活塞和汽缸，而是采用了传动发动机。这种传动发动机直径仅1毫米，如果汽车按这样的比例建造而成的话，只能放进一个火柴盒。测试已证明，这种传动发动机靠一个更轻的燃料电池做动力，能每分钟转4万转，产生26毫瓦的机械能或电能。这一内燃机的研究小组相信这一内燃机能驱动一系列机械设备，或取代常规的电池。例如，在便携式电脑中，无需充电就可持续使用。
另外，对微型发动机和电源，工程师也已制成了微型机械系统的其他关键部件：齿轮、传动带和传动机构。美国桑的亚实验室的科学家，已经开发出细如发丝的硅齿轮——大约直径仅70微米——传动跨度达50微米。50个相连的硅齿轮形成了硅链，就像自行车链条，功能与之相似：能够把机械能从一个地方转到另一个地方。电广泛使用电力之前，工厂都是靠机械系统作为动力的。工厂的核心就是蒸汽发动机，它转动主驱动杆把能量传给传动带再带动机床，未来的微型机械系统将会是19世纪工厂的缩微版。
像加州大学伯克利分校的传动引擎的中央动力源，是通过微型链条和硅齿轮驱动机床。但是，这不仅仅是缩小发动机、齿轮和链条。
微型显微镜
加州大学伯克利分校的路克·李教授研制了一种仅有一个立方微米的显微镜，这种显微镜的中央镜片更小——仅有一个英文的句号那么大。该教授研制的这种显微镜被称作微型共焦图像排列或简称“微型-CIA”（MICROCONFOCAL IMAGING ARRAY）。激光光束可以通过一系列镜片和反光镜，这些镜片可移动或调整，因此光束可以扫描整个检查的样品，还可探测样品底面构成一个与CAT扫描类似的图像。这种创造三维图像的能力，使之成为研究植物构成细胞复制的重要工具。它也可称之为电子扫描仪的缩微型，但是，常规的共焦显微镜大如台式电脑，费用很大，且还要培训操作人员。
这种“微型-CIA”虽然具有共焦显微镜的功能，但却小到能放在人体内。它将一台价值百万美元的机器变成了能在圆珠笔尖上平衡的尺寸。它也不用反射镜、透镜和激光，它只需用一个发光二极管，一个聚合物镜片和一个由静电荷驱动的传动系统，并可与别的光学系统相连。
该教授说，医生可将这种“微型-CIA”植入病人体内，寻找发病的细胞如癌症等疾病，并监视治疗。可以说，“微型-CIA”不仅仅是将显微镜缩小，而且还会将两种技术结合，即光学和微型机械系统在未来医学上的应用。
微型望远镜
让如今的技术缩小化的主要动力就是太空技术。离开地面进入地球轨道的发射费用每一公里要1万美元，因此为了减少耗资，就必须进行技术上的缩小化。麻省理工学院的空间纳米技术实验室主任领导的一个研究小组，已为9项空间计划，其中包括美国航天局的钱德拉 X-射线观测站研制出了微型化的组件。
传统的X—射线太空望远镜如钱德拉使用很重的玻璃块作为光学系统，这些玻璃必须经过绝对认真地切割和研磨。所以花费巨大，钱德拉的光学系统价值就高达1亿美元。因此 ，科研人员一直想把X-射线的光学系统轻型化、廉价化，从而适应未来的需要。
这个研究小组正尝试用厚仅有几百微米的玻璃膜制成光学系统。这些玻璃膜靠一种“微型梳状插头”（一种仅几厘米长的梳状器件）精确地固定在望远镜上，以保证该光学系统的准确性。这种梳状器件在计算机上设计，并利用平板印刷技术制成。
如果这一研究小组获得成功的话，那么下一代X-射线望远镜的光学系统的解像力要比如今的好上100万倍，这样的解像力能使我们看清星系中的超质量黑洞。
纳米技术
缩微化的趋势并不会小到微米大小就结束。科学家已经向纳米技术发展，用分子和原子制造机械。
目前，科学家试图通过操纵单个的分子和原子来制造工作设备，这远比建造一个微米机器难得多。这是因为最微小的蚂蚁，裸眼很难看见。可以想象比1只蚂蚁小1000倍的物质，这就是如今实验室中微米大小的微型机器上的最小配件，微小的程度可想而知了。然后再想象比微米还要小1000倍的，就是纳米了，因此，要建造这么小的机器相当不易。
纳米管
几年前，一位日本研究人员在一些废弃的实验物品中发现了被称之为 “碳纳米管” 的微小单纤维，它是纳米技术中最具有前景的物质之一。加州大学伯克利分校的阿莱克斯·才特教授用碳纳米管制造了一些世界上最小的轴承、开关和电子元件。碳纳米管是一些平的碳原子薄层，它们被卷成圆桶形。别看它小，可比钢和钻石强硬100倍，但是，它们如此之小，以至40万千米长的碳纳米管折叠起来只有1立方厘米。
然而，硅基微型机械系统的难题之一就是摩擦。但阿莱克斯·才特教授证实，碳纳米管能制成不怕磨损的轴承。这些不磨损的轴承可以置于机器中几乎可以永不停地运动。另一个实验证明，就是用纳米管制成超快速开关。实验中，研究人员将一较大的纳米管外层剥离，剩下由第二层纳米管包裹的中心纳米管。通过电子显微镜来看，纳米管就像一个袖珍望远镜——中心纳米管在第二层管处来回滑动。因此，它可以做开关，是一种超速开关。当它打开时，中心纳米管就跳回原来位置，速度还不到一百亿分之一秒。
纳米管是用纯碳制成，具有惊人的导电性。根据它们的结构，它们能像金属一样导电，或是起到半导体的作用，只在一特定电流超出时，才让其流过。阿莱克斯·才特等人已证明，碳纳米管能像一个基本电子器件那样工作。
最有趣的就是在实验室中研究的课题与我们每日的生活密切相关，从用做结构材料、电子材料到化学感应材料，这些都有碳纳米管带来的影响。
纳米线
很快又有一项技术要离开实验室走向实际应用，这就是微细的硅线，它也同其他大“同胞”一样能导电。哈佛大学教授查尔斯·M·里伯已研制了一种“纳米线”，能检测到叫做前列腺特殊抗原（简称PSA）蛋白的细微量。前列腺特殊抗原可当作前列腺癌的标志剂：血液中PSA的水平提高便显示出恶性肿瘤细胞的出现。纳米线的直径仅有10个纳米，比病毒还小5倍。里伯已能将抗体和PSA用纳米线连接。如果抗体遇见血液样本中的PSA，那么它们就会将其抓住。由于PSA的分子携带微小的电荷，纳米线的导电性则会变化。因此，纳米线这样小的电压变化会表示出血液样本中肿瘤细胞的出现。而且这种装置能马上检测出如今通常花几天时间才能检测出的前列腺特殊抗原（PSA）。
这种检验过程可以靠一个芯片，它能制成廉价、个小的医疗诊断测试仪器。里伯教授认为，有理由相信，以纳米线为基础对前列腺特殊抗原（PSA）的测试在未来几年间就可普及。如果里伯教授等人能创造可检测前列腺癌的纳米仪器，那为什么没制造出检测其他种类癌、病毒和病菌的仪器呢？里伯教授说，目前，他们已开始对检测其他癌和疾病的纳米产品的开发，尤其是检测乳腺癌的纳米材料产品。由于目前没有像检测前列腺特殊抗原（PSA）那样的标志剂，故而检测乳腺癌更为困难。乳腺癌和卵巢癌的标志剂还没有明确的把握。不过，里伯教授说，我们需要把几条纳米线上的抗体结合在一起，我们可以制成一个含有容纳10种不同抗体的10条纳米线的芯片，让大众尽早受益。
里伯教授的研究小组，目前正在研制能检测少量病毒和细菌（从流感病毒开始）的纳米线仪器。因为病毒比前列腺特殊抗原蛋白要大，它们能携带更大的电荷，因此它们就更能容易地被检测到。
尽管这有点像科学幻想，但未来微小世界已经走进了人们的日常生活。据计算机处理器芯片制造商INTEL公司说，2004年将有含仅90纳米的组件的芯片出现。到2005年，INTEL公司能制造如此小的仪器，即无线电收音机能装入普通计算机芯片，而个人计算机对个人计算机的对话，则无需调制解调器等设备。INTEL公司也在研制碳纳米管和硅纳米线。到2010年，这些技术可能会取代标准的晶体管，并成为芯片的组成部件。未来的机器或其他用品将会变得很小，但却会更美、更实用。