諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者65年前的演講，MEMS微納技術(shù)的偉大開(kāi)端

以前在讀書(shū)的時(shí)候，老師會(huì)經(jīng)常提起“費(fèi)曼學(xué)習(xí)法”，意思是當(dāng)你學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，最好的方法是在學(xué)完后將這個(gè)知識(shí)講給別人或教給別人。在我們親身講解的過(guò)程中，將能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)自己知識(shí)中的薄弱點(diǎn)，從而鞏固知識(shí)。

在MEMS傳感器及許多微納技術(shù)學(xué)科中，我們也會(huì)經(jīng)常接觸到理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman）這一名字，他是第一位提出納米概念的人。

此費(fèi)曼和彼費(fèi)曼就是同一人，費(fèi)曼于1965年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，被認(rèn)為是愛(ài)因斯坦之后最睿智的理論物理學(xué)家。

1959年12月，費(fèi)曼在著名的演講“底部有足夠的空間（There's Plenty of Room at the Bottom）”中，提出了將機(jī)器小型化到原子和分子尺度的想法——這成為現(xiàn)代微納米技術(shù)的概念起源。我們也經(jīng)常聽(tīng)到這次著名的演講名稱或片段。

演講中，費(fèi)曼提出了納米級(jí)機(jī)器、可吞咽的手術(shù)機(jī)器人、更密集的計(jì)算電路和顯微鏡等概念，提出了在原子尺度上操縱物質(zhì)的可能性以及將面臨的挑戰(zhàn)。

費(fèi)曼以兩個(gè)挑戰(zhàn)結(jié)束了他的演講，并為第一個(gè)解決每個(gè)挑戰(zhàn)的人提供了 1000 美元的獎(jiǎng)金。其中，第一個(gè)挑戰(zhàn)涉及建造一個(gè)微型電機(jī)，這一挑戰(zhàn)在1960年11月被加州理工學(xué)院的畢業(yè)生威廉·麥克萊倫 （William McLellan） 完成——顯然這已經(jīng)涉及到微機(jī)械制造領(lǐng)域。

理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman），是20世紀(jì)最著名的物理學(xué)家之一，1965年，他因在量子電動(dòng)力學(xué)方面的成就而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。費(fèi)曼為科學(xué)界帶來(lái)了一種藝術(shù)且獨(dú)特的解決問(wèn)題的方法。

微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，縮寫(xiě)為 MEMS）是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米尺度內(nèi)。微機(jī)電系統(tǒng)由尺寸為1至100微米（0.001至0.1毫米）的部件組成，一般微機(jī)電設(shè)備的通常尺寸在20微米到一毫米之間。

MEMS等微納技術(shù)正是基于費(fèi)曼的理念——在微米級(jí)等極小尺度進(jìn)行的微小操作。

下文，我們來(lái)看看這次偉大的演講——MEMS等微納技術(shù)概念的開(kāi)端。

Plenty of Room at the Bottom

我想，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們一定非常羨慕像卡默林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）這樣的人，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了低溫領(lǐng)域，它似乎是無(wú)窮無(wú)盡的，人們可以在其中一直探索下去。他是一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)者，在這段科學(xué)冒險(xiǎn)中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

珀西·布里奇曼（ Percy Bridgman）在進(jìn)行設(shè)計(jì)以獲得更高的真空時(shí)，開(kāi)辟了另一個(gè)新的領(lǐng)域，并且能夠進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，引導(dǎo)我們前進(jìn)。

現(xiàn)在我想描述一個(gè)領(lǐng)域，雖然目前已經(jīng)達(dá)成的不多，但是理論上卻有非常多的事情可以做。這個(gè)領(lǐng)域與其他領(lǐng)域并不完全相同，因?yàn)樗粫?huì)解答我們很多基礎(chǔ)物理學(xué)問(wèn)題（譬如“神奇粒子是什么？”）。但它更像是固態(tài)物理學(xué)，因?yàn)樗赡軙?huì)告訴我們很多關(guān)于在復(fù)雜情況下發(fā)生的奇怪現(xiàn)象。另外，最重要的一點(diǎn)是，它在技術(shù)上的應(yīng)用會(huì)非常多。

在這里，我想談的是有關(guān)在小尺度下操作和控制事物的問(wèn)題。

我一提到這個(gè)話題，馬上就有人告訴我小型化技術(shù)以及該技術(shù)的進(jìn)展。他們告訴我，電動(dòng)機(jī)只有你小手指上的指甲那么大。他們告訴我，市場(chǎng)上有一種設(shè)備，你可以用它把主禱文寫(xiě)在大頭針的針頭上。

但這算不了什么，在我打算討論的方向上，這些只是最原始、最蹣跚的一步。在這些技術(shù)下面的世界小得驚人。到2000年，當(dāng)人們回顧這個(gè)時(shí)代時(shí)，他們會(huì)奇怪為什么直到1960年才有人開(kāi)始認(rèn)真地朝著這個(gè)方向前進(jìn)。

為什么我們不能把全套24卷的《大英百科全書(shū)》寫(xiě)在大頭針的針頭上？

讓我們看看會(huì)涉及到什么難題。大頭針頭直徑為十六分之一英寸。如果將其放大25000倍，那么大頭針頭部的面積就等于《大英百科全書(shū)》所有頁(yè)面的面積。因此，只需將大英百科全書(shū)中所有文字的尺寸縮小25000倍即可。

那可能嗎？眼睛的分辨能力約為 1/120 英寸——這大約是百科全書(shū)中一個(gè)小點(diǎn)的直徑。當(dāng)你將其縮小 25,000 倍時(shí)，其直徑是 80 埃，即 32 個(gè)原子寬（埃，晶體學(xué)、原子物理、超顯微結(jié)構(gòu)等常用的長(zhǎng)度單位，10的負(fù)10次方米，納米的十分之一）。換句話說(shuō)，在一個(gè)這樣的點(diǎn)上，還可以容納1000個(gè)原子。

此外，每個(gè)點(diǎn)都可以根據(jù)照相雕刻的需要輕松調(diào)整大小，毫無(wú)疑問(wèn)，大頭針頭上有足夠的空間刻上全套《大英百科全書(shū)》。

而且，如果可以這樣寫(xiě)的話，就一定有方法可以閱讀。讓我們想象一下，它是用凸起的金屬字母寫(xiě)的；也就是說(shuō)，在百科全書(shū)中黑色的地方，我們有凸起的金屬字母，它們的大小實(shí)際上是普通大小的 1/25,000。我們將如何閱讀它？

如果我們有以這種方式編寫(xiě)的東西，我們可以使用當(dāng)今常用的技術(shù)來(lái)閱讀它。（當(dāng)我們真正把它寫(xiě)出來(lái)時(shí)，人們無(wú)疑會(huì)找到更好的方法，但為了保守地表達(dá)我的觀點(diǎn)，我將只采用我們今天知道的技術(shù)。）我們可以這樣做：將金屬壓入塑膠材料中并制作模具，然后非常小心地剝離塑料，將二氧化硅蒸發(fā)到塑料中以獲得非常薄的薄膜，接著以某種角度蒸發(fā)黃金到硅膜上，以便所有的小字母清晰地顯現(xiàn)出來(lái)，將硅膠上的塑料溶解掉，然后就可以用電子顯微鏡觀察！

毫無(wú)疑問(wèn)，如果把文字以上凸起字母的形式縮小25,000倍寫(xiě)在大頭針頭上，并且能夠讀取它，以今天的科技來(lái)講是毫無(wú)問(wèn)題的。此外，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)復(fù)制原版很容易：只需要再次將相同的金屬板壓入塑料中，我們就會(huì)得到另一個(gè)副本。

那么我們?cè)趺磳?xiě)呢？

接下來(lái)的問(wèn)題是：我們?cè)趺磳?xiě)呢？我們現(xiàn)在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來(lái)做到這一點(diǎn)。但我要指出的是，這并不像看起來(lái)那么困難。我們可以把電子顯微鏡中用做放大功能的鏡頭反置過(guò)來(lái)，將之用來(lái)縮小。當(dāng)一個(gè)離子源射出的離子，通過(guò)這種倒置的放大鏡頭，就可以聚焦成一個(gè)非常小的點(diǎn)。我們可以像在電視陰極射線示波器中寫(xiě)入一樣，通過(guò)橫線一條一條地掃描調(diào)整，來(lái)確定在我們掃描線時(shí)沉積的材料量。

由于電荷密度的限制，這種方法可能會(huì)非常慢。未來(lái)將會(huì)有更快速的方法，譬如：我們可以首先制作一個(gè)屏幕，先通過(guò)一些照片處理，上面有字母形式的孔。然后我們會(huì)在孔后面劃出一個(gè)弧，并通過(guò)孔吸引金屬離子；然后我們可以再次使用我們的透鏡系統(tǒng)并以離子形式制作小圖像，這會(huì)將金屬沉積在大頭針上。

一種更簡(jiǎn)單的方法可能是這樣的（盡管我不確定它是否有效）：我們獲取光線，通過(guò)向后運(yùn)行的光學(xué)顯微鏡，將其聚焦到一個(gè)非常小的光電屏幕上。然后電子離開(kāi)光照射的屏幕。這些電子被電子顯微鏡透鏡聚焦，直接撞擊金屬表面。如果運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間，這樣的光束會(huì)蝕刻掉金屬嗎？我不知道。如果它不適用于金屬表面，則必須能夠找到一些表面來(lái)覆蓋原始針頭，但是此物質(zhì)受電子束撞擊的部位，一定要能夠留下我們事后可以辨認(rèn)的變化才行。

這些設(shè)備不存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題——通常在放大影像時(shí)都必須把一點(diǎn)點(diǎn)的電子分得很散地打在熒幕上，因此放大的時(shí)候常常會(huì)遇到強(qiáng)度上的問(wèn)題?，F(xiàn)在的情況恰巧相反，由于一整頁(yè)文字被聚焦在一個(gè)非常小的區(qū)域，因此光的強(qiáng)度非常大。而經(jīng)由光電熒幕所跳出來(lái)的少數(shù)電子又被聚焦到非常小的區(qū)域，因此其強(qiáng)度也是非常地強(qiáng)。我真是不明白，既然如此，為什么目前還沒(méi)有能夠人做到這件事！

以上是大頭針針頭上的《大英百科全書(shū)》，現(xiàn)在讓我們考慮一下世界上所有的書(shū)。美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館擁有約 900 萬(wàn)冊(cè)圖書(shū)；大英博物館圖書(shū)館擁有 500 萬(wàn)冊(cè)圖書(shū)；法國(guó)國(guó)家圖書(shū)館也藏有500萬(wàn)冊(cè)圖書(shū)。毫無(wú)疑問(wèn)，存在重復(fù)，所以讓我們假設(shè)世界上有大約 2400 萬(wàn)冊(cè)的書(shū)籍。如果我按照我們一直在討論的規(guī)模打印所有這些內(nèi)容，會(huì)發(fā)生什么？需要多少空間？

它需要大約一百萬(wàn)個(gè)針頭的面積，因?yàn)椤洞笥倏迫珪?shū)》只有 24 卷，而這些書(shū)籍有 2400 萬(wàn)卷。也就是說(shuō)，我們用來(lái)復(fù)制的帶有薄如紙的塑料背襯的二氧化硅復(fù)制品以及所有這些信息，其面積大約相當(dāng)于百科全書(shū) 35 頁(yè)的大小，這大約相當(dāng)于半本雜志。全人類記錄在書(shū)籍中的所有信息都可以在你手中的小冊(cè)子中隨身攜帶——而且不是用代碼編寫(xiě)的，而是用小尺寸簡(jiǎn)單復(fù)制了原始版本中的文字、圖片和其他一切所有信息，且不損失分辨率。

當(dāng)我們加州理工學(xué)院的圖書(shū)館員從一棟大樓跑到另一棟大樓時(shí)，如果我告訴她，十年后，她正在努力保管的所有信息——120,000 冊(cè)書(shū)，從地板堆到天花板、裝滿卡片的抽屜、裝滿舊書(shū)的儲(chǔ)藏室——只需一張借書(shū)卡即可保存！她會(huì)作何反應(yīng)？

當(dāng)巴西大學(xué)發(fā)現(xiàn)他們的圖書(shū)館被燒毀時(shí)，我們可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)從母版上復(fù)制一份副本，然后將其放入不大于或不重于任何書(shū)籍的信封中，這個(gè)副本在短短幾小時(shí)內(nèi)即可寄到巴西大學(xué)圖書(shū)管理員的手中。

現(xiàn)在，這次演講的名稱是“底部有足夠的空間”（There is Plenty of Room at the Bottom），而不僅僅是“底部有空間”（There is Room at the Bottom）。我所證明的是，空間是存在的——你可以以實(shí)用的方式減小物體的尺寸。我現(xiàn)在想表明還有足夠的空間。我現(xiàn)在要討論的不是技術(shù)，而只是其在理論上的可行性，也就是說(shuō)依據(jù)物理原理所可能達(dá)成的結(jié)果。

微觀世界中的信息

假設(shè)，與其試圖直接以現(xiàn)有形式再現(xiàn)圖像和所有信息，我們只編寫(xiě)點(diǎn)和線之類的代碼，以表示各種字母。每個(gè)字母代表六到七個(gè)"比特"的信息；也就是說(shuō)，只需要大約六到七個(gè)點(diǎn)或線就能代表一個(gè)字母?，F(xiàn)在，我不僅僅要像之前那樣利用針尖的表面，我還將利用材料的內(nèi)部。

我們可以用一種金屬的小斑點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)點(diǎn)，用另一種金屬的相鄰斑點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)劃線，以此類推。保守起見(jiàn)，假設(shè)一個(gè)信息比特將需要一個(gè)由原子構(gòu)成的小立方體，尺寸為5乘5乘5，即125個(gè)原子?；蛟S我們需要一百多個(gè)原子來(lái)確保信息不會(huì)因?yàn)閿U(kuò)散或其他過(guò)程丟失。

我已經(jīng)估算了百科全書(shū)中有多少字母，并假設(shè)2400萬(wàn)本書(shū)中的每一本都和一卷百科全書(shū)一樣大，然后計(jì)算了有多少比特的信息。每個(gè)比特允許使用100個(gè)原子。結(jié)果表明，人類在全世界的書(shū)籍中精心積累的所有信息可以以這種形式書(shū)寫(xiě)在一個(gè)直徑為二百分之一英寸的材料立方體中——這是人眼能夠察覺(jué)到的最小塵埃。所以，空間還有很多！別對(duì)我提微縮膠片！

生物學(xué)家們?cè)缇椭?，大量資訊可以儲(chǔ)存在微小空間里，而且在我們理解前面的一切理論之前，這個(gè)謎早已有解答了：在最小的一個(gè)生物細(xì)胞里，像我們自身這樣復(fù)雜的生物資訊是如何儲(chǔ)存下來(lái)的呢。眼睛是不是棕色的，到底會(huì)不會(huì)思考，在胚胎的時(shí)候下巴骨內(nèi)部就應(yīng)該先長(zhǎng)出個(gè)小洞，以便在里面能夠長(zhǎng)出一條神經(jīng)，這一切一切的資訊都儲(chǔ)存在長(zhǎng)長(zhǎng)的DNA分子鏈里，而其卻只占細(xì)胞的一小部分；在DNA分子鏈中，細(xì)胞存儲(chǔ)一比特信息大約大概需要50個(gè)原子。

更好的電子顯微鏡

生物學(xué)家們?cè)缇椭来罅抠Y訊是可以儲(chǔ)存在微小空間里的事實(shí)，而且在我們理解前面的一切理論之前，這個(gè)謎早已有解答了：在最小的一個(gè)生物細(xì)胞里，像我們這樣復(fù)雜的生物資訊是如何儲(chǔ)存下來(lái)的呢。眼睛是不是棕色的，到底會(huì)不會(huì)思考，在胚胎的時(shí)候下巴骨內(nèi)部就應(yīng)該先長(zhǎng)出個(gè)小洞，以便在里面能夠長(zhǎng)出一條神經(jīng)，這一切一切的資訊都儲(chǔ)存在長(zhǎng)長(zhǎng)的DNA分子鏈里，而其卻只占細(xì)胞的一小部分；在這里面，細(xì)胞儲(chǔ)存每一位元的資訊大約是50個(gè)原子。

如果我們以符號(hào)來(lái)寫(xiě)，用5×5×5個(gè)原子表示每一位元，有個(gè)問(wèn)題：今天怎么來(lái)讀它？小心而努力地用電子顯微鏡來(lái)看，解像力約為10?，因此不夠好。當(dāng)我談到這些小尺寸的東西，我想試著讓你們了解把電子顯微鏡改良100倍有多重要。并不是不可能的，也沒(méi)有違背電子折射的法則。在這樣一個(gè)電子顯微鏡中，電子的波長(zhǎng)約為1/20?。因此有可能看到一個(gè)原子。清晰地看到個(gè)別的原子有什么好處？

我們?cè)谄渌I(lǐng)域有朋友，假定是生物學(xué)家。我們物理學(xué)家?？粗麄冋f(shuō)：“你知道為什么你們沒(méi)有什么進(jìn)展嗎？”（實(shí)際上，如今我不知道有什么比生物學(xué)發(fā)展更快的領(lǐng)域。）“你們應(yīng)該學(xué)我們，多用點(diǎn)數(shù)學(xué)?！彼麄?cè)究梢匀绱嘶卮穑撬麄兒芏Y貌，因此我替他們說(shuō)：“要讓我們進(jìn)展更快，你們應(yīng)該去把電子顯微鏡改良100倍?！?br />
今天，生物學(xué)最核心最基本的問(wèn)題是什么？是像這樣：DNA中，堿基的序列如何？如果有個(gè)突變會(huì)發(fā)生什么？DNA堿基的序列和蛋白質(zhì)中胺基酸的序列是怎樣關(guān)聯(lián)的？RNA的結(jié)構(gòu)如何；是單股或雙股，跟DNA堿基的序列又是怎樣關(guān)聯(lián)的？微粒體的結(jié)構(gòu)如何？蛋白質(zhì)如何合成？RNA跑到哪里去？它如何固著？蛋白質(zhì)固著在哪里？胺基酸跑到哪兒里面？在光合作用中，葉綠素在哪里，如何排列，類胡蘿卜素在其中有何關(guān)聯(lián)？是怎樣的系統(tǒng)把光轉(zhuǎn)換成化學(xué)能？

只要看得見(jiàn)，這些生物學(xué)的基本問(wèn)題有許多都容易回答。你會(huì)看到鏈上堿基的序列；你會(huì)看到微粒體的結(jié)構(gòu)。不幸的是，現(xiàn)在的顯微鏡看得太粗糙了。把它改良100倍，許多生物學(xué)的問(wèn)題就容易多了。我當(dāng)然有點(diǎn)夸張，可是生物學(xué)家一定會(huì)感謝這個(gè)改進(jìn)，而且比起他們應(yīng)該用數(shù)學(xué)的批評(píng)，他們也會(huì)喜歡前者。

今日化學(xué)反應(yīng)的理論建構(gòu)在理論物理上。物理提供化學(xué)的基礎(chǔ)。但是化學(xué)里還有分析。如果你拿到一個(gè)奇怪的物質(zhì)，想知道是什么，就要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)復(fù)雜的化學(xué)分析。今天，幾乎可以分析出任何東西，所以我的主意出現(xiàn)得有點(diǎn)晚。但是如果物理學(xué)家想做，他們也可以研究得比化學(xué)家更深一層。分析任何復(fù)雜物質(zhì)可以是非常簡(jiǎn)單的；只要看它上面原子在那兒。問(wèn)題是電子顯微鏡差了100倍。（稍后我想問(wèn)：物理學(xué)家可以做到化學(xué)的第三個(gè)問(wèn)題——也就是合成嗎？有個(gè)物理方法來(lái)合成任何化學(xué)物嗎？）

電子顯微鏡如此爛的原因是所有鏡頭的f值只有1/1000；你無(wú)法擁有夠大的數(shù)值孔徑(NA)；我知道有理論證明軸向?qū)ΨQ之靜止的磁場(chǎng)鏡頭的f值不可能比某值大；因此現(xiàn)在的解像力到達(dá)了理論上的極限。但是任何理論中都有假設(shè)，為什么要用軸向?qū)ΨQ的磁場(chǎng)？為什么要用靜止的磁場(chǎng)？我們不能用脈沖的電子束和沿電子運(yùn)動(dòng)方向一路上增強(qiáng)的場(chǎng)？一定要用對(duì)稱的場(chǎng)嗎？我向外發(fā)出這個(gè)挑戰(zhàn)：沒(méi)辦法讓電子顯微鏡更強(qiáng)嗎？

神奇的生物系統(tǒng)

生物學(xué)上有關(guān)在小尺度上編寫(xiě)信息的例子激發(fā)了我對(duì)一種可能性的思考。生物學(xué)不僅僅是在編寫(xiě)信息；它還在采取相應(yīng)的行動(dòng)。生物系統(tǒng)可以非常微小。許多細(xì)胞非常小，但它們非?；钴S；它們制造各種物質(zhì)；它們四處移動(dòng)；它們扭動(dòng)；它們以各種神奇的方式執(zhí)行各種任務(wù)——所有這一切都在非常小的尺度上進(jìn)行。此外，它們還儲(chǔ)存信息。想象一下，我們也可能制造出一個(gè)非常小的東西，可以根據(jù)我們的意愿進(jìn)行操作——我們可以制造一個(gè)在那個(gè)層級(jí)上進(jìn)行工作的物體！

制造非常小的物體甚至有經(jīng)濟(jì)上的好處。讓我提醒你們一些計(jì)算機(jī)的問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)中，我們必須存儲(chǔ)大量的信息。我之前提到的那種以金屬分布的方式進(jìn)行的寫(xiě)作是永久性的。對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，更有趣的是一種寫(xiě)入、擦除、再寫(xiě)入其他內(nèi)容的方式。（通常這是因?yàn)槲覀儾幌肜速M(fèi)剛剛寫(xiě)過(guò)的材料。然而，如果我們能在一個(gè)非常小的空間中寫(xiě)入它，那就沒(méi)有任何影響；在閱讀后可以扔掉。這不會(huì)花費(fèi)太多材料。）

制造微型電腦

我不知道怎樣用實(shí)際的方法把這東西做的很小，但我知道電腦大得可以塞滿許多房間。為何不能把它做得線很少，元件很少；并且做得很小。我是說(shuō)很小。例如導(dǎo)線應(yīng)該直徑在10或100原子寬，電路長(zhǎng)寬應(yīng)該只有幾千?。任何分析過(guò)電腦的邏輯理論的人都有這個(gè)結(jié)論：如果電腦因?yàn)樵叽缈s小幾個(gè)數(shù)量級(jí)而能做得更復(fù)雜，則電腦可能做到的事會(huì)非常的有趣。如果電腦的元件是現(xiàn)在的百萬(wàn)倍，就能做判斷。電腦會(huì)有時(shí)間計(jì)算出做下一個(gè)計(jì)算的最佳方法。它們會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇比我們會(huì)告訴它們的方法更好的分析方法。在許多其它方面，它們會(huì)有新的特質(zhì)。


如果看到熟人的臉我會(huì)立刻發(fā)覺(jué)曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)（實(shí)際上，我的朋友會(huì)說(shuō)我挑了個(gè)不好的例子。至少我還認(rèn)得那是人，不是蘋(píng)果）。但是還沒(méi)有機(jī)器能以同樣的速度看到一張相片，認(rèn)出那是個(gè)人的；更沒(méi)法認(rèn)出是從前見(jiàn)過(guò)的同一個(gè)人，除非相片一模一樣。面孔改變了，距離較近，距離較遠(yuǎn)，還是光線變了，我都認(rèn)得出來(lái)?，F(xiàn)在，我頭殼里的電腦很容易就做得到。我們?cè)斓碾娔X卻不行。我頭殼里的元件數(shù)量比我們美妙的電腦多得多。電腦太大了；里面的元件極微小。我想來(lái)制造更小的。

如果想造個(gè)電腦，具有這些額外的優(yōu)異特質(zhì)，尺寸大概跟五角大樓一般。這有許多缺點(diǎn)。首先，需要太多的材料；世界上的鍺也許不夠制造這巨物里的所有電晶體。發(fā)熱和功率消耗也是問(wèn)題；需要10的9次方伏安為單位計(jì)算的功率來(lái)維持電腦運(yùn)作。更實(shí)際的問(wèn)題是，這電腦的速度有一限制。由于尺寸很大將資料由一處傳到另一處需要一定的時(shí)間。資料不可能傳得比光速快，因此，當(dāng)電腦速度越快越精巧時(shí)，必須做得越來(lái)越小。

但還有空間做得更小。在物理的法則中，我找不出限制我們縮小現(xiàn)今的電腦元件的理由。事實(shí)上，縮小還有許多好處。

縮小制造

我們?nèi)绾文苤圃爝@樣的裝置？要有何種制程？既然我們討論過(guò)以原子的排列來(lái)寫(xiě)，我們可能就會(huì)考慮一種可能：蒸鍍材料，然后再蒸一層絕緣體上去。然后下一層蒸上導(dǎo)線的另一部分，以及絕緣體，及其它。因此，你只要一次一次地蒸，直到你有一塊東西內(nèi)含所有元件——線圈、蓄電器、電晶體及其它——所有元件都極小。

為了好玩，我想討論其它可能的方法。為何不像制造大的電腦一樣造這些小的電腦。為何不在極小的程度鉆、切、焊，切出形狀，鑄出各種形狀。多少次你在搞小東西（像你老婆的腕表）時(shí)你曾對(duì)自己說(shuō)：“如果能訓(xùn)練螞蟻來(lái)做就好了！”我想提議訓(xùn)練螞蟻來(lái)訓(xùn)練更小的蟲(chóng)來(lái)做這事。小而可動(dòng)的機(jī)器能做些什么？它們不一定很有用，但是制造它們一定很有趣。

考慮任一機(jī)器（例如汽車），提出制造超微版的相關(guān)問(wèn)題。假定在某汽車的設(shè)計(jì)中，零件必須有一定之精確度；假定是4/10,000英寸。若一圓柱或其它精度低于此，就不會(huì)運(yùn)行順利。如果要造的東西太小，就得考慮原子的尺寸；如果一個(gè)圓很小，就無(wú)法以所謂的“球”做出這個(gè)圓。因此，如果原尺寸汽車的誤差為4/10,000英寸；當(dāng)誤差縮小至10個(gè)原子大小時(shí)，就可以將汽車尺寸縮為1/4,000左右，大約是1mm長(zhǎng)寬。非常明顯的是：如果重新設(shè)計(jì)汽車，使它能容忍較大的零件誤差（這并非全不可能），就能制造更小的裝置。

考慮這樣小的機(jī)器的問(wèn)題十分有趣。首先，在零件受到同樣壓力時(shí)，由于面積縮小，受力也隨之降低，因此像重量與慣量等因素的重要性就較低。換句話說(shuō)，材料的強(qiáng)度隨尺寸的縮小而增強(qiáng)。例如，尺寸縮為幾倍，轉(zhuǎn)速就要增為幾倍，才能保持壓力與張力（離心力引起的）不變。

另一方面，金屬的結(jié)構(gòu)是一粒一粒的（晶體），在尺寸極小時(shí)這就很惱人，因?yàn)椴牧喜粔蚓鶆?。像塑膠，玻璃等非結(jié)晶性的材料就均勻得多，因此得用這類材料來(lái)造就我們的小機(jī)器。

系統(tǒng)中的電機(jī)零件有點(diǎn)問(wèn)題——銅導(dǎo)線和磁性零件有問(wèn)題。尺寸極小時(shí)的磁性質(zhì)和大尺寸時(shí)不同。牽涉到線圈的問(wèn)題。大號(hào)電磁鐵可以繞個(gè)上百萬(wàn)圈線，小號(hào)的也許只能繞一圈。電機(jī)零件不能只是尺縮小尺寸；必須重新設(shè)計(jì)。但是我不覺(jué)得不能重新設(shè)計(jì)以能運(yùn)作。

這樣小的機(jī)器會(huì)有什么用處？誰(shuí)曉得。我曾提到在具備小車床和其它超小型機(jī)工具的工廠中制造電腦用的小元件。小車床不必跟大車床完全一樣。我讓各位的想像力來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)；請(qǐng)完全利用小尺寸時(shí)的各種特性，并使全自動(dòng)最容易達(dá)成。

一位朋友（ARHibbs）提出了非常有趣的用途。他說(shuō)（雖然這非常瘋狂）動(dòng)手術(shù)時(shí)能把手術(shù)醫(yī)師吞下去會(huì)很有趣。把機(jī)械手術(shù)醫(yī)師弄到血管里，它跑到心臟里四處看（資訊當(dāng)然要送出來(lái)）。它找出有問(wèn)題的瓣膜，拿出一只小刀割掉。其它小機(jī)器也許能永久裝在身體內(nèi)，以協(xié)助功能異常的器官。

現(xiàn)在談?wù)勥@有趣的問(wèn)題：我們?cè)鯓釉爝@樣小的機(jī)器？我留給各位解答。但是讓我提出個(gè)古怪的建議。在原子能廠里有很多材料與機(jī)器變得有放射性，沒(méi)法直接處理。它們有一組主從手臂來(lái)旋下螺帽，放上螺絲釘，及做其它事。操作一具主手臂，從手臂會(huì)做一樣的動(dòng)作；如此就可以把螺帽轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去，并把東西處理得很好。

這樣的主從手臂構(gòu)造都很簡(jiǎn)單，有條像marionette(線控人偶)弦的纜線由主控連到從手臂。使用的是伺服馬達(dá)，因此纜線是電纜，傳送電訊而非機(jī)械訊號(hào)。你轉(zhuǎn)動(dòng)操縱桿，操縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)伺服馬達(dá)，馬達(dá)使電線中的電流改變，這改變使電線另一端的馬達(dá)也改變位置。

現(xiàn)在，我想造出同樣的裝置——一個(gè)電力帶動(dòng)的主從系統(tǒng)。從系統(tǒng)由現(xiàn)代的大型機(jī)工極小心地制造，使它是主系統(tǒng)的1/4大小。因此，就可以按此方案做1/4大小的事——小伺服馬達(dá)推動(dòng)小手耍弄小螺帽螺釘，它們可以鉆小洞，它們只有正常尺寸1/4大。我造出1/4大小的車床和工具。用這車床和工具可以造出另一組主從手臂，尺寸是車床和工具尺寸的1/4大（正常尺寸1/16大）。然后我由正常尺寸的主手臂直接連電線到1/16大小的伺服馬達(dá)上（也許中間通過(guò)變壓器）。這樣我就可以操作1/16大小的從手臂。

從這里你得到原則。這相當(dāng)難，但是可能做到。你可能會(huì)說(shuō)一次可以縮小更多倍。當(dāng)然。這全都要非常小心地設(shè)計(jì)，而且不一定要做得像手，如果仔細(xì)思考，可以得到相同功用的更好方案。

即使用現(xiàn)有的縮圖器也可以在一步驟中縮得比1/4更小。但是不能直接用大縮圖器制造小縮圖器，因?yàn)槊鑸D洞太松和縮圖器制造時(shí)的誤差。縮圖器尾端抖動(dòng)的誤差比你的手移動(dòng)時(shí)的誤差還大。如此來(lái)縮小尺寸時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一堆串接的縮圖器的最末端震動(dòng)得什么也不能做。在每個(gè)階段都要改進(jìn)機(jī)件的精度。若由縮圖器造了一個(gè)小車床，其中有個(gè)螺絲不夠精密（比原尺寸的螺絲還不精密），可以找來(lái)螺帽，把螺絲轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出，直到這小尺寸螺絲的誤差百分比跟原尺寸螺絲一樣。

用三個(gè)不平的平面相互摩擦，可以使完成的三個(gè)平面都比原先任何一個(gè)更光滑。因此，只要方法正確，在小尺寸下改善精度并非不可能。因此在造尺寸更小的東西之前，要先改善即將使用的零件的精度：鉛螺絲等，以改善設(shè)備精度。

每一階段都要先制造下一階段要用到的東西——很耗時(shí)很難的計(jì)劃。也許你可以找到縮小更快的較佳方法。這一切完成后得到1/4,000大小的車床。但我們想造的是大量的電腦，要在車床上鉆洞制造電腦用的小墊圈。在這一臺(tái)車床你能造多少墊圈？

100只“小手”

制造第一組1/4尺寸的從手臂時(shí)，我打算造十個(gè)，并把它們都連接到主手臂上，如此十個(gè)手臂會(huì)同時(shí)做同一動(dòng)作。再縮為1/4時(shí)，每個(gè)小從手臂造出十個(gè)小小從手臂，這樣就有了100個(gè)1/16尺寸的小小從手臂。

我們要把這些數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的車床放在哪？這完全不是問(wèn)題。體積總和還比一個(gè)全尺寸車床小。假設(shè)造了十億個(gè)小車床，每個(gè)小車床尺寸是原尺寸的1/4,000，則材料和空間都不成問(wèn)題，因?yàn)橛玫舻牟牧媳热叽畿嚧驳?%還少。你瞧，材料完全不花什么錢(qián)。因此我想造十億個(gè)相同的小工廠，同時(shí)進(jìn)行制造、鉆孔、鑄造零件、及其它事。

在縮小的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些有趣的問(wèn)題。并非所有的現(xiàn)象都隨著尺寸縮小的比例而變小。材料因分子間引力（范德華力）吸在一塊兒也是問(wèn)題。情形會(huì)像這樣：完成一件零件后，想把螺帽從螺絲上轉(zhuǎn)下來(lái)，結(jié)果掉不下來(lái)，因?yàn)橹亓Σ粔虼?。想把螺帽從螺絲上弄下來(lái)還很難呢。這就像老電影中的情節(jié)：手上沾了糖漿想要甩掉一杯水。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮許多同類性質(zhì)的問(wèn)題。

重新排列原子

我不怕討論這最終的問(wèn)題：將來(lái)我們?nèi)绾我牢覀兿胍姆绞脚帕性樱叽缈s小到排列原子的地步。如果可以依我們想要的方式一個(gè)一個(gè)地排列原子，會(huì)怎樣呢？(當(dāng)然要合理地排，不能亂來(lái)。例如不能排成化學(xué)上不穩(wěn)定的排列方式。)

到目前為止，我們覺(jué)得挖到地里來(lái)取得金屬礦物沒(méi)什么不好。我們加熱金屬，做大規(guī)模的處理，想從如此多的雜質(zhì)中純化物質(zhì)……等等。但是我們必須接受自然安排的原子排列。我們沒(méi)法有東西排成棋盤(pán)一樣，其中的雜質(zhì)距離恰為1,000，或是排成別的花樣。

如果能排出一層層的結(jié)構(gòu)，每層排得非常正確，這能用來(lái)干什么？如果真能依我們所想來(lái)排列原子，產(chǎn)物會(huì)有什么性質(zhì)？研究這些物質(zhì)的理論會(huì)很有趣。我不知道會(huì)發(fā)生什么事，但我深信，當(dāng)我們能控制東西的排列（小尺寸的，原子的）時(shí)，一切物質(zhì)的性質(zhì)范圍會(huì)大得多，我們能做的事也會(huì)多得多。

想像我們?cè)谝黄牧侠镌斐鲂【€圈和蓄電器（或利用固態(tài)物理造出的類似東西），每個(gè)元件1,000或10,000?，一個(gè)接一個(gè)排滿一大片，尾端伸出天線。造這一整組元件?？赡芟駨囊惶滋炀€發(fā)射無(wú)線電波。對(duì)歐洲傳送節(jié)目一樣，從一套天線中發(fā)射光線嗎？也就是以非常高的密度朝單一方向射出光線。（也許這樣的光柱在技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上都不很有用）我已經(jīng)考慮過(guò)建造小尺寸電氣元件的一些問(wèn)題。阻抗的問(wèn)題相當(dāng)嚴(yán)重。如果把大尺寸的元件縮小，元件的自然頻率就上升（因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)和尺寸成正比）。但是趨膚深度只跟尺寸的平方根成正比，因此阻抗的問(wèn)題就極麻煩。如果頻率不是很高，也許可以利用超導(dǎo)或者其他技巧來(lái)解決問(wèn)題。

當(dāng)我們到達(dá)了這個(gè)非常小的世界——例如7個(gè)原子組成的線路——我們會(huì)發(fā)現(xiàn)許多可利用來(lái)幫助設(shè)計(jì)的新現(xiàn)象?；诹苛ψ訉W(xué)，原子在小規(guī)模上的表現(xiàn)，就像大規(guī)模上沒(méi)有東西一樣。因此在縮小尺寸和撥弄原子的過(guò)程中，我們遵循不一樣的定律，并且期待做到不一樣的事。

我們用不同的方法制造，我們可以利用（不僅利用各種線路）某種系統(tǒng)，其中利用了量子化的能階，或量子化旋轉(zhuǎn)（±1）的交互作用。另一件我們會(huì)注意到的事是：只要造得夠小，所有我們?cè)斓臋C(jī)件都可以大量制造得完全和正本一模一樣。大的機(jī)器沒(méi)法造得一模一樣。但是如果你的機(jī)器只有100個(gè)原子高，精度只要有0.5%就可以讓復(fù)本的尺寸一模一樣——也就是100個(gè)原子高。

到了原子的階段，會(huì)碰到新的力、新的可能性和新的效應(yīng)。制造和材料的重制會(huì)有不同的問(wèn)題。我由一生物學(xué)的現(xiàn)象得到啟發(fā)：重復(fù)使用化學(xué)力以制造各種奇怪效應(yīng)（作者乃其一也）。

照我看來(lái)，一個(gè)個(gè)原子地計(jì)畫(huà)制造東西并不違反物理的原則。這不是要試著違反定律，這是原則上可以做到的事情；只是因?yàn)槲覀兂叽缣蠖形磳?shí)行。

最終我們可以做化學(xué)合成。一個(gè)化學(xué)家會(huì)跑來(lái)找我們，說(shuō)："我想要個(gè)分子，排列是這樣排的；幫我造出來(lái)。"化學(xué)家想造某種分子時(shí)，方法都很神秘。他發(fā)現(xiàn)這物質(zhì)有這種環(huán)，因而混合這個(gè)和那個(gè)，搖一搖，搞來(lái)搞去，在完成一個(gè)艱難步驟之后通常都能合成他想要的東西。當(dāng)我的裝置可以運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，我們就可以用物理的方式合成，這化學(xué)家因此知道如何合成所有東西。因此，化學(xué)家的方法會(huì)完全沒(méi)有用。

這很有趣：理論上物理學(xué)家有可能合成化學(xué)家寫(xiě)下來(lái)的任何化學(xué)物質(zhì)。下個(gè)命令，然后物理學(xué)家來(lái)合成。聽(tīng)來(lái)如何？把原子放在化學(xué)家說(shuō)的地方，就能造出這個(gè)物質(zhì)。如果我們能看到我們?cè)谧鍪裁?，和能在原子的尺度上操作東西，化學(xué)和生物學(xué)的許多問(wèn)題就能夠解決。而這樣的發(fā)展我想是無(wú)可避免的。

現(xiàn)在你可能會(huì)說(shuō)，誰(shuí)該做這件事，為什么要做？我已經(jīng)指出幾項(xiàng)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的應(yīng)用，但你們可能會(huì)為好玩而做。那就來(lái)玩罷！我們來(lái)個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間的競(jìng)賽。一個(gè)實(shí)驗(yàn)室造了小馬達(dá)寄到另外一間實(shí)驗(yàn)室，第二間實(shí)驗(yàn)室可能寄回個(gè)東西可以放在該小馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸里。

高中競(jìng)賽

為了好玩，也為了讓孩子們對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生興趣，我建議與高中保有某種聯(lián)系的人創(chuàng)造出一種高中競(jìng)賽的形式。畢竟，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域甚至還沒(méi)有開(kāi)始有所動(dòng)作，而孩子們的字都能寫(xiě)得比以前更小。他們可以在高中進(jìn)行競(jìng)賽。洛杉磯高中可以將一根針寄給威尼斯高中，在針上寫(xiě)著“這個(gè)怎么樣？”后者會(huì)把針寄回來(lái)，在“i”的點(diǎn)上寫(xiě)著“沒(méi)那么好”。

也許這不足以激發(fā)你去做這件事，只有經(jīng)濟(jì)動(dòng)機(jī)才能驅(qū)動(dòng)你。那么我想要做一些事情；但我目前不能這么做，因?yàn)槲疫€沒(méi)有準(zhǔn)備好。能夠?qū)⒁槐緯?shū)的一頁(yè)信息放在一個(gè)面積在線性尺度上縮小了1/25,000倍區(qū)域上，并可以用電子顯微鏡來(lái)讀取這些信息的第一個(gè)人，我打算獎(jiǎng)勵(lì)1000美元給他/她。

我還想提供另一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)——首先我得好好想想措辭，以避免陷入關(guān)于定義的混亂爭(zhēng)論——第一個(gè)制造出一臺(tái)可以從外部控制的、尺寸只有1/64立方英寸的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（不包括引線）的人，我也打算獎(jiǎng)勵(lì)1000美元給他/她。

我希望自己不需要等很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)有人來(lái)領(lǐng)取這兩個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)。

因原文篇幅較長(zhǎng)，本文部分翻譯資料綜合自網(wǎng)絡(luò)。

文章出處：【傳感器專家網(wǎng)】