- 20 - 22 -微纳制造与生物制造

1、n 微纳制造微纳制造 n 生物制造生物制造 微纳制造 n 微纳制造的发展微纳制造的发展 n 微系统的关键技术微系统的关键技术 n 纳米加工技术纳米加工技术 n 微纳制造例子微纳制造例子 微纳制造的概念微纳制造的概念 微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。 1 1）微系统微系统 是指集成了微电子和微机械（或光学、化学、生物等是指集成了微电子和微机械（或光学、化学、生物等 方面微元件）的系统。它以方面微元件）的系统。它以微米尺度理论微米尺度理论为基础，用批量化的微电为基础，用批量化的微电 子技术和子技术和三维加工三维加工技术来完成信息获取、处理及执行等

2、功能。微系技术来完成信息获取、处理及执行等功能。微系 统按特征尺寸范围可分为三类：统按特征尺寸范围可分为三类：1mm - 10mm1mm - 10mm的的微小机械微小机械，1m - 1m - 1mm1mm的的微机械微机械，1n - 10m1n - 10m的的纳米机械纳米机械。 2 2）纳米技术纳米技术 是指纳米级是指纳米级0.1nm - 100nm0.1nm - 100nm的材料、设计、加工、测的材料、设计、加工、测 量、控制和产品的技术。量、控制和产品的技术。 微纳制造的发展 2.2.微纳制造技术的应用微纳制造技术的应用 n 微型机械将逐步走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、微型机械

3、将逐步走向实用化，对工农业、信息、环境、生物医疗、 空间、国防等领域的发展将产生重大影响。空间、国防等领域的发展将产生重大影响。 n 医学：医学：微系统可用于视网膜手术、修补血管等。微系统可用于视网膜手术、修补血管等。 n 工业：工业：微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间和微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间和 恶劣环境下进行诊断和修复工作。恶劣环境下进行诊断和修复工作。 n 航空航天：航空航天：制造自适应性蒙皮，用以改善气流特性；制造自适应性蒙皮，用以改善气流特性； n 汽车：汽车：在轮胎内嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，避免无气在轮胎内嵌入微型压力传感器用以

4、保持适当充气，避免无气 过量或不足，仅此一项就可节油过量或不足，仅此一项就可节油1010。 微纳制造的发展 微系统的关键技术 n 微系统设计技术微系统设计技术 n 微细加工技术微细加工技术 n 微系统组装和封装技术微系统组装和封装技术 n 微系统的表征和测试技术微系统的表征和测试技术 微细加工技术 （1 1）精度的表示方法：公差、尺寸绝对值）精度的表示方法：公差、尺寸绝对值 （2 2）微观机理：前者在晶粒（几微米到几百微米）微观机理：前者在晶粒（几微米到几百微米） 内切削，后者吃刀量大，忽视晶粒本身大小。内切削，后者吃刀量大，忽视晶粒本身大小。 （3 3）加工特征：前者以分离或结合原子、分子为

5、加）加工特征：前者以分离或结合原子、分子为加 工对象，以电子束、离子束和激光束等为加工基础，工对象，以电子束、离子束和激光束等为加工基础， 采用刻蚀、层积、溅射和蒸镀等手段。采用刻蚀、层积、溅射和蒸镀等手段。 微细加工技术分类 （1 1）微蚀刻加工：硅平面技术衍生，可批量制作、预组）微蚀刻加工：硅平面技术衍生，可批量制作、预组 装及容易与微电子电路集成的技术特点，适宜微型传感装及容易与微电子电路集成的技术特点，适宜微型传感 器制作。器制作。 （2 2）微细特种加工：设备昂贵、对环境要求高。）微细特种加工：设备昂贵、对环境要求高。 （3 3）微细切削加工：微细车削、微细铣削、微细磨削等。）微细切

6、削加工：微细车削、微细铣削、微细磨削等。 纳米（纳米（NanometerNanometer）, ,是一个长度单位，简写为是一个长度单位，简写为nmnm。 纳米技术纳米技术是是2020世纪世纪8080年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学 技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维 方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、 分子的排布制造的具有特定功能的产品。分子的排布制造的具有特定功能的产品。 1. 1.纳米技术的含

7、义纳米技术的含义 纳米技术是指纳米级（纳米技术是指纳米级（0.1100nm）的材料、设计、制造、测）的材料、设计、制造、测 量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳 米级。米级。 2.纳米技术的主要内容纳米技术的主要内容 纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来 看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米 材料和纳米机械学等新学科。材料和纳米机械学等新学科。 纳米加工技术 纳米加工技术 纳米

8、级加工是指：纳米级加工是指：加工精度高于加工精度高于1010-3 -3m m，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa小于，达小于，达 到纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳到纳米级精度。包括纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳 米级表面质量。米级表面质量。 纳米级加工方法包括：纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合 加工、扫描隧道显微加工等。加工、扫描隧道显微加工等。 纳米级机械加工方法包括：纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚单晶金刚石刀具的超精密磨削；金刚 石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍

9、磨和砂带石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及镜面磨削；衍磨和砂带 抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。 纳米加工技术 纳米加工技术主要有纳米加工技术主要有5 5个方面个方面： 采用采用微化的定形整体刀具微化的定形整体刀具或或非定形磨料工具非定形磨料工具进行机械加工：如车进行机械加工：如车 削、钻削、铣削和磨削。削、钻削、铣削和磨削。 采用采用电加工电加工或在其基础上的或在其基础上的复合加工复合加工，如微细电火花加工、线放，如微细电火花加工、线放 电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。

10、采用采用光、声等能量加工法光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。，如微细激光束加工、微细超声加工。 采用采用光化掩模加工法光化掩模加工法，如光刻法，如光刻法，LIGALIGA法。法。 采用采用层积增生法层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。 1 1）光刻电铸（）光刻电铸（LIGALIGA）技术）技术工艺过程为：工艺过程为： 采用采用深层同步辐射光刻深层同步辐射光刻，涂覆光致抗，涂覆光致抗 蚀剂（蚀剂（a a），），X X射线曝光蚀刻出图形（射线曝光蚀刻出图形（b b）；）； 电铸电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电，以曝光蚀

11、刻的图形实体作为电 铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属 （c c），生成微铸件（），生成微铸件（d d） 注射成形，以微铸件为模具，即可加注射成形，以微铸件为模具，即可加 工所要求的微零件（工所要求的微零件（e e）。）。 图 LIGA法的工艺过程 a）涂覆光致抗蚀剂 b）X射线曝光蚀刻 c）电铸 d）微铸件 e）注射成形零件 d） 纳米加工技术 2 2）半导体加工技术）半导体加工技术 n半导体加工技术即半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工；半导体表面和立体的微细加工； n指在指在以硅为主要材料的基片以硅为主要材料的基片上进行上进行沉积、光刻与蚀刻沉

12、积、光刻与蚀刻的工艺的工艺 过程。过程。 n半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的 潜力。潜力。 纳米加工技术 3 3）集成电路（）集成电路（ICIC）技术）技术 n 集成电路（集成电路（ICIC）技术是一种发展十分迅速且较成熟的制）技术是一种发展十分迅速且较成熟的制 作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍， 是一种平面加工技术。是一种平面加工技术。 n 但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材 料的零部件。料

13、的零部件。 纳米加工技术 4 4）超微机械加工和电火花线切割加工）超微机械加工和电火花线切割加工 用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作 毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加 工材料广泛，但多是工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高单件加工、单件装配，费用较高。 纳米加工技术 5 5）键合技术）键合技术 键合技术是一种把两个固体部件在键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压一定的温度与电压下下 直接直接键合键合在一起的在一起的封装技术封装技

14、术，其间不用任何粘接剂，在，其间不用任何粘接剂，在 键合过程中始终处于键合过程中始终处于固相状态固相状态。 纳米加工技术 6 6）分子装配技术）分子装配技术 n 20 20世纪世纪8080年代初发明的年代初发明的扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（Scanning Scanning Tunneling MicrosoftTunneling Microsoft，STMSTM）以及后来在）以及后来在STMSTM基础上派生出来基础上派生出来 的的原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force MicrosoftAtomic Force Microsoft，AFMAFM），），使观察使观察 分子、原子的

15、结构从宏观世界进入了微观世界分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。 n 利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照 需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。 纳米加工技术 1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 n 集成电路已经从集成电路已经从2020世纪世纪6060年代的每个芯片上包含仅几十个年代的每个芯片上包含仅几十个 器件发展到现在的约器件发展到现在的约1010亿个器件，亿个器件，其集成度每其集成度每3 3年提高年提高4 4倍倍。 n 这一增长速度导致了

16、半导体市场在过去这一增长速度导致了半导体市场在过去3030年中以年均约年中以年均约15%15% 的速度增长，对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响。的速度增长，对现代经济、国防和社会产生了巨大的影响。 n 集成电路之所以能飞速发展，集成电路之所以能飞速发展，光刻技术光刻技术的支持起到了极为的支持起到了极为 关键的作用。关键的作用。 微纳制造应用案例 1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 n 电子束光刻电子束光刻是在由是在由掩膜掩膜（其上有电路图形）、（其上有电路图形）、光致抗蚀剂光致抗蚀剂 涂层涂层和和半导体基片半导体基片构成的三层材料上，利用构成的三层材料上，利用电子束透射掩膜电子束

17、透射掩膜， 照射到光致抗蚀剂涂层上，照射到光致抗蚀剂涂层上，由于化学反应，经显影后，在光致由于化学反应，经显影后，在光致 抗蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形抗蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形。 n 在基片上形成电路在基片上形成电路有两种处理办法：有两种处理办法： 用离子束溅射去除，可得到凹形电路。用离子束溅射去除，可得到凹形电路。 用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。 微纳制造应用案例 1. 1. 电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 图 电子束光刻加工过程 微纳制造应用案例 2. 2. 微型机械昆虫微型机械昆虫 n 加州大学布克莱分校的学者花了三年

18、时间，研加州大学布克莱分校的学者花了三年时间，研 究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据非究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据非稳定速稳定速 度模式的气动学原理度模式的气动学原理，制造了只有，制造了只有 25 25 毫米宽毫米宽 的微型机械昆虫。的微型机械昆虫。 n 机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并 在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振 翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便 能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。 微纳制

19、造应用案例 3. 3. 世界最小的微型机械人世界最小的微型机械人 n 美国科学家成功研制了世界最小的微型机美国科学家成功研制了世界最小的微型机 械人，其只有械人，其只有1/41/4立方寸，体重小於立方寸，体重小於1 1盎司。盎司。 n 科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦 查地雷，化学及生物武器的所在；查地雷，化学及生物武器的所在； n 机械人体积细小，可爬进建筑物管道找出机械人体积细小，可爬进建筑物管道找出 化学品等，并将有关信息传送到指挥中心；化学品等，并将有关信息传送到指挥中心； n 科学家还可以部署一群微型机械人，进行科学家还可以部署一群微型机械人，

20、进行 不同的任务。不同的任务。 微纳制造应用案例 4. 4. 以微型加工技术制造的机械耳蜗以微型加工技术制造的机械耳蜗 n 耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波，并且将声耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波，并且将声 波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传达到大脑。波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传达到大脑。 n 密西根大学研究人员研发出机械耳蜗。密西根大学研究人员研发出机械耳蜗。 n 机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同， 以薄膜结构模仿基底膜构造。以薄膜结构模仿基底膜构造。 微纳制造应用案例 5. 5. 微型机械零件微型机械零件“自组织

21、化自组织化”装配技术装配技术 n 东京大学山下勋教授利用自然界的东京大学山下勋教授利用自然界的“自组织化自组织化”现象把散乱零件结合到一现象把散乱零件结合到一 起，开发出起，开发出微型机械零件微型机械零件“自组织化自组织化”自动装配技术自动装配技术。 n 原子在硅酸化物基片上可以自然成形原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为，这种现象被称为“自组织化自组织化”。 n 在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶 液中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在零件液中。结果，排水性零件互

22、相吸引，而与溶水性零件互相排斥。只要在零件 表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。 n 这种技术在这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。中大有用武之地。 微纳制造应用案例 6. 6. 纳米生物科技纳米生物科技- -分子马达分子马达 n 美国康乃尔大学制造出美国康乃尔大学制造出与病毒差不多大与病毒差不多大的分子马达。的分子马达。 n 该生物分子马达以该生物分子马达以200nm200nm长、长、80nm80nm直径宽的金属镍为直径宽的金属镍为 轴，以分子作为马达，以镍作为螺旋桨。轴，以分子

23、作为马达，以镍作为螺旋桨。 n 该分子马达被浸泡至该分子马达被浸泡至ATPATP溶液中后，利用生物分子细溶液中后，利用生物分子细 胞内的化学反应，胞内的化学反应，以以ATP ATP 作为能源作为能源，每秒转速可达，每秒转速可达8 8圈，圈， 并可连续转动小时。并可连续转动小时。 n 将来利用该马达所作成的潜艇就可将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管进入人类的血管之中，不必藉由传统的之中，不必藉由传统的 开刀方式，即可清除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中开刀方式，即可清除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中 风的危机。风的危机。 微纳制造应用案例 n 科学家利

24、用苯甲基与科学家利用苯甲基与C60C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此，若能将多个的键结形成分子齿轮的雏型。因此，若能将多个 分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成 纳米机器非常有用的组件。纳米机器非常有用的组件。 7. 7. 纳米齿轮纳米齿轮 Nano GearNano Gear n 2002 2002年日本年日本Morinobu EndoMorinobu Endo教授利用纳米材教授利用纳米材 料研制出世界上最小的齿轮。料研制出世界上最小的齿轮。 n 该齿轮直径仅有，且具有良好的抗磨损、抗该齿轮直径

25、仅有，且具有良好的抗磨损、抗 热、滑动特性，为实现分子机器的实现又迈进热、滑动特性，为实现分子机器的实现又迈进 了一大步。了一大步。 微纳制造应用案例 n 原子操纵术是原子操纵术是STM (STM (扫描穿透显微镜扫描穿透显微镜) )的专长，具备微小且精密的操的专长，具备微小且精密的操 控能力。控能力。 n STM STM的主要构造部分有一根金属钨的主要构造部分有一根金属钨(W)(W)探针，针头仅有几个原子宽，探针，针头仅有几个原子宽， 探针与被观测样品不接触，在其上方来回扫描，当距离很近（约探针与被观测样品不接触，在其上方来回扫描，当距离很近（约1010 埃），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产

26、生的埃），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生的电场吸引电场吸引从而把样品中从而把样品中 的的原子拉离表面原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。，并通过针头沿着表面移动到别处。 n 如果对这种现象善加利用，就能如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作对单个原子进行操作，从而将它们，从而将它们 逐个按特定结构逐个按特定结构“组装组装”成纳米机械。成纳米机械。 8. 8. 原子操纵术原子操纵术 n 1990 1990年美国年美国IBMIBM的一群科学家，首度将的一群科学家，首度将 一颗颗氙原子在镍表面上拖曳，逐颗将一颗颗氙原子在镍表面上拖曳，逐颗将 3737颗原子排成颗原子排成“IBM”I

27、BM”三个英文字母。三个英文字母。 微纳制造应用案例 将一顆一顆的铁原子團,在Cu(111)表面 上排列成“原子”二字。 将一顆一顆的一氧化碳原子團，在 Pt(111)表面上排列成人的形狀。 微纳制造应用案例 n 莲花荷叶出污泥而不染，是运用莲花荷叶出污泥而不染，是运用自然纳米科技自然纳米科技达成自我洁净的最佳实例。达成自我洁净的最佳实例。 n 科学家科学家9090年代发现荷叶叶面上存在着年代发现荷叶叶面上存在着多重纳米和微米级的超微结构多重纳米和微米级的超微结构。 n 莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑，表面的结表面

28、的结 构与粗糙度达微米至纳米尺寸构与粗糙度达微米至纳米尺寸。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的 蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和 叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液 滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这 就是莲花纳米表面就是莲花纳米表面“自我洁净

29、自我洁净”的奥妙所在。的奥妙所在。 9. 9. 纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应 微纳制造应用案例 9. 9. 纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应 微纳制造应用案例 予独爱莲之出予独爱莲之出淤泥而不染淤泥而不染， 濯清涟而不妖，濯清涟而不妖， 中通外直，不蔓不枝，中通外直，不蔓不枝， 香远益清，亭亭静植，香远益清，亭亭静植， 可远观而不可亵玩焉。可远观而不可亵玩焉。 微纳制造应用案例 生物制造生物制造 n 生物制造的发展生物制造的发展 n 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 n 生物制造应用案例生物制造应用案例 1. 1. 生物制造系统正在形成生物制造系统正在形成 n 日本三重大学

30、和冈山大学初步证实了日本三重大学和冈山大学初步证实了微生物加工金属材料微生物加工金属材料的可行性。的可行性。 n 目前已将目前已将快速成形制造技术与人工骨研究快速成形制造技术与人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等相结合，为颅骨、颚骨等 骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。 n 我国于我国于19821982年将生物技术列为八大重点技术之一。生物学科与制造年将生物技术列为八大重点技术之一。生物学科与制造 学科相互渗透、相互交叉，形成学科相互渗透、相互交叉，形成生物制造系统学科生物制造系统学科（Biological Biological Manuf

31、acturing SystemManufacturing System，BMSBMS）。）。 n 我国在我国在20032003年年3 3月和月和20042004年年7 7月，先后两次召开了全国月，先后两次召开了全国生物制造工程生物制造工程 学术研讨会，专家们探讨的主要问题有：生物制造工程的定义、内学术研讨会，专家们探讨的主要问题有：生物制造工程的定义、内 涵及意义；生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的研究特涵及意义；生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的研究特 点、方向及方法；生物制造的应用领域。点、方向及方法；生物制造的应用领域。 生物制造的发展生物制造的发展 2. 2. 生物制造的发

32、展前景生物制造的发展前景 n 在在机器人、微机电系统、微型武器机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多地应用生物动力、方面，将更多地应用生物动力、 生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。 n 在在纳米技术纳米技术方面，实现纳米尺度上方面，实现纳米尺度上裁剪或连接裁剪或连接DNADNA双螺旋双螺旋，改造生，改造生 命特征命特征; ;实现各种实现各种蛋白质分子和酶分子蛋白质分子和酶分子的组装，构造纳米人工生物膜，的组装，构造纳米人工生物膜， 实现跨膜物质选择运输和电子传递。实现跨膜物质选择运输和电子传递。 n 在在医疗方面医疗方面，三维生物组织

33、培养技术不断突破，人体各种器官将能，三维生物组织培养技术不断突破，人体各种器官将能 得到复制，会大大延长人类的生命。得到复制，会大大延长人类的生命。 n 在在生物加工生物加工方面，通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂层、纳方面，通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂层、纳 米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。 生物制造的发展生物制造的发展 1. 1. 生物制造的概念生物制造的概念 生物制造（清华大学颜永年教授等）生物制造（清华大学颜永年教授等）： 通过通过制造科学制造科学与与生命科学生命科学相结合，在相结合，在微滴、细胞和分

34、微滴、细胞和分 子尺度的科学层次子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿上，通过受控组装完成器官、组织和仿 生产品的制造之科学和技术总称。生产品的制造之科学和技术总称。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 生物制造工程的体系结构生物制造工程的体系结构 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 3. 3. 生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 研究方向：研究方向：如何把如何把制造科学制造科学、生命科学、计算机技术、信生命科学、计算机技术、信 息技术、材料科学息技术、材料科学各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通 起来用于制造业，是生物

35、制造工程的主要任务。起来用于制造业，是生物制造工程的主要任务。 两方面两方面6 6个研究方向：个研究方向： （1 1）仿生制造）仿生制造 生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 生物遗传制造生物遗传制造 生物控制的仿生生物控制的仿生 （2 2）生物成形制造）生物成形制造 生物去除成形生物去除成形 生物约束成形生物约束成形 生物生长成形生物生长成形 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 1 1）生物组织和结构的仿生）生物组织和结构的仿生 包括包括生物活性组织的工程化制造生物活性组织的工程化制造和和类生物智能体的制造类生物智能体的制造。 生物活性组织的工程化制造生物活性组织的工程化制造：将：

36、将组织工程材料组织工程材料与与快速成形制造快速成形制造结合，结合， 采用采用生物相容性生物相容性和和生物可降解性材料生物可降解性材料，制造生长单元的框架，在生长，制造生长单元的框架，在生长 单元内部单元内部注入生长因子注入生长因子，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相 容性与个体的适配性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制容性与个体的适配性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制 造。造。 类生物智能体的制造类生物智能体的制造：利用可以通过：利用可以通过控制含水量控制含水量来控制伸缩的高分来控制伸缩的高分 子材料，能够制成人工肌肉。类生物智能体

37、的最高发展是依靠子材料，能够制成人工肌肉。类生物智能体的最高发展是依靠生物分生物分 子的生物化学作用子的生物化学作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和生物存储体和 逻辑装置。逻辑装置。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 2 2）生物遗传制造）生物遗传制造 n DNA DNA的内部结构的内部结构和和遗传机制遗传机制的不断解密的不断解密; ; n 基因技术基因技术应用于制造领域，依靠应用于制造领域，依靠生物生物DNADNA的的 自我复制自我复制; ; n 利用利用转基因转基因实现生物材料和非生物材料的有实现生物材料和非生物材料的有 机结合；机结合；

38、 n 根据生成物的特征，根据生成物的特征，人工控制生长单元体内人工控制生长单元体内 的遗传信息，的遗传信息，直接生长出所需要产品直接生长出所需要产品; ; n 典型如骨骼、器官、肢体以及生物材料结构典型如骨骼、器官、肢体以及生物材料结构 的机器零部件等。的机器零部件等。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 3 3）生物控制的仿生）生物控制的仿生 应用应用生物控制原理生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。来计算、分析和控制制造过程。 例如例如: : 人工神经网络人工神经网络 遗传算法遗传算法 仿生测量研究仿生测量研究 面向生物工程的微操作系统原理面向生物工程的微操作系统原理 设计与制造基

39、础设计与制造基础 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 （2 2）生物成形制造）生物成形制造 n 目前已发现的微生物有目前已发现的微生物有1010万种左右，尺度绝大部分为万种左右，尺度绝大部分为微微/ /纳米级纳米级，具有不，具有不 同的标准同的标准几何外形与亚结构、生理机能及遗传特性几何外形与亚结构、生理机能及遗传特性。可能找到。可能找到“吃吃”某些工某些工 程材料的菌种，实现程材料的菌种，实现生物去除成形生物去除成形(Bioremoving forming)(Bioremoving forming)； n 复制或金属化不同标准几何外形与亚结构的菌体，再经排序或微操作，复制或金属化不同标

40、准几何外形与亚结构的菌体，再经排序或微操作， 实现实现生物约束成形生物约束成形(Biolimited forming)(Biolimited forming)； n 甚至通过控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，生长出所需的外形甚至通过控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，生长出所需的外形 和生理功能，实现和生理功能，实现生物生长成形生物生长成形(Biogrowing forming)(Biogrowing forming)。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 1 1）生物去除成形）生物去除成形 n 生物去形的原理生物去形的原理: : n 氧化亚铁硫杆菌氧化亚铁硫杆菌T9T9菌株是中菌

41、株是中 温、好氧、嗜酸、专性温、好氧、嗜酸、专性无机化能无机化能 自氧菌自氧菌; ; n 其主要生物特性是将其主要生物特性是将亚铁离子亚铁离子 氧化成高铁离子氧化成高铁离子以及将其他低价以及将其他低价 无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐; ; n 加工时掩膜控制去除区域，利加工时掩膜控制去除区域，利 用用细菌刻蚀细菌刻蚀达到成形的目的。达到成形的目的。 a） b） 图 生物去除成形实验过程 a）光刻工艺过程 b）生物加工过程 光绘底片 贴抗蚀剂膜 紫外线曝光 显影为试件 金属试件 生物加工过程 生物加工后试件 去抗蚀剂膜 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 2 2）

42、生物约束成形）生物约束成形 目前已发现的微生物中大部分目前已发现的微生物中大部分细菌直径只有细菌直径只有1m1m左右左右，菌体有各种各，菌体有各种各 样的样的标准几何外形标准几何外形，用现在加工手段很难加工出这么小的标准三维形，用现在加工手段很难加工出这么小的标准三维形 状。这些菌体的状。这些菌体的金属化金属化将会有以下用途：将会有以下用途： n 构造微管道，微电极、微导线构造微管道，微电极、微导线 n 菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合、多孔、磁性材料等。菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合、多孔、磁性材料等。 n 去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤

43、膜、光学衍射孔等。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 3 3）生物生长成形）生物生长成形 n与无生命的物质相比，与无生命的物质相比，有生命的生物体和生物分有生命的生物体和生物分 子具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点子具有繁殖、代谢、生长、遗传、重组等特点。 n 对基因组计划的实施和研究，将实现对基因组计划的实施和研究，将实现人工控制细人工控制细 胞团的生长外形和生理功能胞团的生长外形和生理功能的生物生长成形技术。的生物生长成形技术。 n将来利用生物生长技术控制基因的遗传形状和遗将来利用生物生长技术控制基因的遗传形状和遗 传生理特征，生长出所需外形和生理功能的人工器传生理特征，生长出

44、所需外形和生理功能的人工器 官，用于延长人类生命或构造官，用于延长人类生命或构造生物型微机电系统生物型微机电系统。 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 1.1.生物计算机生物计算机 2.2.可使盲人重见光明的可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片” 3.3.个性化人造器官个性化人造器官 生物制造的应用案例 生物计算机生物计算机 大规模集成电路多以硅为材料。但集成度过高，电路密集引起的散热问题，大规模集成电路多以硅为材料。但集成度过高，电路密集引起的散热问题， 影响计算机的运算速度提高。影响计算机的运算速度提高。 目前，科学家确定了以下的生物材料研制生物芯片：目前，科学家确定了以下的生物材料

45、研制生物芯片： (1)(1)细胞色素细胞色素C C：具有具有氧化和还原的氧化和还原的两种状态，导电率相差两种状态，导电率相差10001000倍。两种状态的倍。两种状态的 转换通过适当方式加上或撤去伏电压来实现，可作为记忆元件。转换通过适当方式加上或撤去伏电压来实现，可作为记忆元件。 (2)(2)细菌视紫红质：细菌视紫红质：是一种是一种光驱动开关光驱动开关的原型。由光辐射启动的质子泵在膜两的原型。由光辐射启动的质子泵在膜两 边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。边形成的电位，经离子灵敏场效应放大后，可给出较好的开关信号。 (3)DNA(3)DNA分子：分子：以以核苷酸碱基编

46、码方式存储遗传信息核苷酸碱基编码方式存储遗传信息，是一种存储器的分子模型。，是一种存储器的分子模型。 (4)(4)采用采用导电聚合物导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线 它们传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但它们传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低能耗极低。 生物制造的应用案例 2. 2. 可使盲人重见光明的可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片” n美国研制成功了可使盲人重见光明的美国研制成功了可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片”。这种。这种 芯片是由一个芯片是由一个无线录像装置无线录像装置和一个和一个激光驱动的、固定在视网激光驱动的、

47、固定在视网 膜上的微型电脑芯片膜上的微型电脑芯片组成。组成。 n工作原理工作原理: :装在眼镜上的装在眼镜上的微型微型录像装置拍摄到图像装置拍摄到图像，并把，并把 图像进行图像进行数字化处理数字化处理之后发送到之后发送到电脑芯片电脑芯片，电脑芯片上的电，电脑芯片上的电 极构成的极构成的图像信号图像信号则则刺激视网膜神经细胞刺激视网膜神经细胞，使图像信号通过，使图像信号通过 视神经视神经传送到传送到大脑大脑，这样盲人就可以见到这些图像。，这样盲人就可以见到这些图像。 生物制造的应用案例 3. 3. 个性化人造器官个性化人造器官 n 美国每年有数百万的患者患有各种组织、器官的丧失或功能障美国每年有

48、数百万的患者患有各种组织、器官的丧失或功能障 碍，每年需要进行碍，每年需要进行800800万次手术，年耗资万次手术，年耗资400400亿美元。亿美元。 n 我国约有我国约有150150万尿毒症患者，每年仅能做万尿毒症患者，每年仅能做30003000例肾脏移植手术；例肾脏移植手术； n 有有400400万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库才万白血病患者在等待骨髓移植，而全国骨髓库才3 3万份万份; ; n 大量的患者都因等不到器官而死亡，而且器官移植存在排斥作大量的患者都因等不到器官而死亡，而且器官移植存在排斥作 用，成活率很低的问题。用，成活率很低的问题。 生物制造的应用案例 (1)(1)

49、个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 n 个性化人造器官是利用患者个性化人造器官是利用患者自身的局部组织或细胞自身的局部组织或细胞，再利用，再利用外来外来 的一些高分子材料的一些高分子材料，在身体相关部位，在身体相关部位“长长”出一个最出一个最“贴己贴己”的器官。的器官。 n 生物医学专家希望用生物医学专家希望用人工培养人工培养出人体需要的正常组织。出人体需要的正常组织。 n 医院像工厂生产零部件一样医院像工厂生产零部件一样，根据患者的缺失情况，需要什么培，根据患者的缺失情况，需要什么培 养什么，做好了安装上就能发挥作用。养什么，做好了安装上就能发挥作用。 n 还可以结合先进的电脑技术，为

50、每一个患者提供与他原器官特别还可以结合先进的电脑技术，为每一个患者提供与他原器官特别 相似的人造器官。相似的人造器官。 生物制造的应用案例 (1)(1)个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 n 生物学家制定构建某种组织或器官的设计图，制备特殊的生物学家制定构建某种组织或器官的设计图，制备特殊的骨架骨架， 这种骨架具有这种骨架具有降解特性降解特性，降解后对人体无害，并能提供，降解后对人体无害，并能提供细胞生长场所细胞生长场所； n 生物学家将患者残余器官的少量正常细胞作为生物学家将患者残余器官的少量正常细胞作为“种子细胞种子细胞”， “种种”在人造骨架上，并提供合适的在人造骨架上，并提供合适