第12章 硬件新技术-1

第12章计算机新技术和应用第12章计算机新技术和应用12.1硬件新技术12.1.1信息材料12.1.2SoC技术12.1.3纳米器件12.1.4量子计算机12.1硬件新技术12.2网络新技术12.3软件开发新技术12.4生物计算12.5智慧环境与生活12.1.1信息材料1.信息材料信息材料属于功能材料，是为实现信息探测、传输、存储、显示和处理等功能使用的材料。信息处理材料是制造信息处理器件如晶体管和集成电路的材料。2.信息材料分类按功能分，信息材料主要有以下几类（1）半导体微电子材料（2）光电子材料（3）电子陶瓷材料12.1硬件新技术（4）磁性材料（5）光纤通信材料（6）磁存储和光盘存储为主的数据存储材料（7）压电晶体与薄膜材料（8）光伏材料12.1硬件新技术3).半导体芯片的历史

第一代：以硅材料为代表的第一代半导体材料目前仍然是最主要的半导体器件材料。但是硅材料带隙(禁带)较窄和击穿电场较低等物理属性的特点限制了其在光电子领域和高频高功率器件方面的应用。第二代：20世纪90年代以来，随着无线通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路与互联网的兴起，以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角。目前GaAs几乎垄断了手机制造中的功放器件市场。第三代：第三代半导体材料的兴起，是以GaN(氮化镓)材料P型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器研制成功为标志的。一、光通讯设备和材料1.光纤(1)光纤，也叫光导纤维，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（lightemittingdiode，LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。多股光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳十亿人通话。可以同时传送千套电视节目。见图19-1。(2)光纤的历史

1880年AlexandraGrahamBell发明光束通话传输；1960年电射及光纤发明；1966年华裔科学家“光纤之父”高锟预言光纤将用于通信；1970年美国康宁公司成功研制成传输损耗只有20dm/km的光纤；1977年首次实际安装电话光纤网路；1978年FORT在法国首次安装其生产之光纤电；1979年赵梓森拉制出我国第一根实用光纤，被誉为“中国光纤之父”；1990年区域网路及其他短距离传输应用光纤；2000年屋边到桌边光纤；2005年FTTH光纤直接到家庭。(3)光纤发展趋势随着密集波分复用（DWDM）技术、光纤放大技术的发展和广泛应用，光纤通信技术向着更高速率、更大容量的通信系统发展，并且逐步向全光网络演进。随着千兆比特以太网的建立，以太网将从Gbps向10Gbps的超高速率升级，新一代适合激光系统使用的多模光纤将随之研制并得到广泛应用。2.光纤通讯原理光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。三1.超大容量、超长距离传输技术提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用（OTDM）技术，与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同，OTDM技术是通过提高单信道速率提高传输容量，其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。实现Tbit/s以上传输的最佳方式。

2.光弧子通信光弧子是一种特殊的ps数量级上的超短光脉冲，由于它在光纤的反常色散区，群速度色散和非线性效应相互平衡，因而，经过光纤长距离传输后，波形和速度都保持不变。传输距离提高到100000公里以上。

3.全光网络未来的高速通信网将是全光网，它是光纤通信技术发展的最高阶段，也是理想阶段。1.新型显示器近几年，PDP等离子显示器、有机EL显示器、FED场致发射显示器、电子纸张、立体显示器等各种领域的技术有比较大的发展。

(1)PDP（等离子显示器）：PDP的基本原理是在两张玻璃板之间注入电压，产生气体及肉眼看不到的紫外线，使荧光粉发光，利用这个原理呈现画面。

(2)有机EL显示器：利用了施加电压发光物质的显示器。发光体玻璃基板镀气，放上5～10v的直流电压进行表示。

(3)FED场发射显示器：场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，场发射电子显示器技术1968年由C.A.Spindt提出。图1FED场发射显示器图2PDP等离子显示器图3有机EL显示器(4)电子纸张显示：“电子纸”概念兴起于1980年代前后，电子纸大致可分液晶型和非液晶型两大类。电子纸的分辨率是150像素/英寸（ppi），对于广告牌这类的场合是够用了。目前科学家正在与一家初创企业GammaDynamics联合开发这款电子纸。其计划是两年内做出用这种电子纸做的广告牌，三年内做出电子阅读器。在不久的将来，也许我们的平板电脑就可以卷着放进口袋？可折叠显示器台湾工研院研发的“透明显示器”，单色穿透率可高达40％上最新透明显示器让效果如入科幻电影

中新网2012年11月27日电据台湾《工商时报》报道，显示器技术日新月异，从愈做愈薄，到现在朝向“透明”、“软性”等新型态持续发展。台湾工业研究院昨(26)日发表最新研发的“透明显示器”与软性“可重复写入使用票卡”，让未来的商品橱窗不再只是一成不变的透明玻璃，兼具遮蔽、显示不同信息与图案的超炫功能。工研院的“透明显示器”技术，采用电润湿原理，透过施加电压即可控制影像的变化，尤其透明显示器本身不需加上偏光片，因此单色穿透率可高达40%以上，在无需安装背光源情况下，便可轻易看见显示器背后的物品，同时它的反应速度快、无视角显示差异，已成功具备透明显示器应有的表现。(5)立体3D显示器：立体显示器由3D立体显示器、播放软件、制作软件三部分组成。美国圣克鲁兹的加利福尼亚大学（UCSC）的研究人员近日研发出了一种先进的3D+2D电视，用户在戴上立体眼镜时可以看到3D影像，而不戴眼镜时看到的是正常的2D影像。2D+3D电视机3.太阳能光伏太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。4.LED照明与显示目前OLED光源厚度不到2毫米，最大尺寸为12x12厘米。Thomas预计，未来这一厚度可以减少至不到1毫米，而尺寸能达到1平方米。他表示，尽管目前OLED光源还很贵，但未来价格将大幅下降。“我预计OLED将在5年内进入大众市场，所有人都可以从宜家买到OLED系统。”飞利浦展示未来照明技术：白天透明晚上发光随着OLED(有机发光二级管)技术的发展，发光的墙壁、窗户和家具将取代灯泡和LED灯。一种内部集成了透明OLED光源的窗户。白天的时候，光线可以照进房间。晚上不必打开吊灯或壁灯，而只要打开窗户的照明系统。OLED是第一种表面光源。其他光源都是点状光源，例如炉火、蜡烛、灯泡和LED。这是我们第一次不再需要单独的发光系统，整个系统都可以嵌入。1.高锟（Kao，Charles）

1933年11月4日生于上海的金山。高锟曾获巴伦坦奖章、利布曼奖、光电子学奖等，被称为“光纤之父”。美籍华裔物理学家。前香港中文大学校长。美国国家工程院院士、英国皇家工程科学院院士,英国皇家艺术学会会员,瑞典皇家工程科学院外籍院士,台湾中央研究院院士,中国科学院外籍院士。

1957年英国伦敦大学理学学士，1965年英国伦敦大学哲学博士，1957～1960年任标准电话和电缆公司工程师，1960～1970年任标准电信实验室主任研究工程师。1970～1974年在香港中文大学电机系工作，以后在国际电话和电报公司电光产品部任副经理。高锟在电磁波导、陶瓷科学（包括光纤制造）方面获28项专利。1964年，他提出在电话网络中以光代替电流，以玻璃纤维代替导线。1966年，在标准电话实验室与何克汉共同提出光纤可以用作通信媒介。

2009年诺贝尔物理学奖12.1硬件新技术12.1.2SoC技术1.SoC基本概念SoC定义的基本内容有两方面：其一是构成，二是形成过程。2.SoC设计的关键技术

SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等，此外还要做嵌入式软件移植、开发研究。7、什么是SoC1).SoC技术的发展

集成电路的发展已有40年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规律推进，现已进入深亚微米阶段。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD芯片等。

在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现。SoC(System-on-Chip)设计技术始于20世纪90年代中期，随着半导体工艺技术的发展，IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，SoC正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的。

2).SoC基本概念

一般说来，SoC称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SoC是一个微小型系统。

20世纪90年代中期，因使用ASIC（一种为专门目的而设计的集成电路

）实现芯片组受到启发，萌生应该将完整计算机所有不同的功能块一次直接集成于一颗硅片上的想法。这种芯片，初始起名叫SystemonaChip(SoC)，直译的中文名是系统级芯片。3).SoC的发展趋势及存在问题当前芯片设计业正面临着一系列的挑战，系统芯片SoC已经成为IC设计业界的焦点，SoC性能越来越强，规模越来越大。SoC芯片的规模一般远大于普通的ASIC，同时由于深亚微米工艺带来的设计困难等，使得SoC设计的复杂度大大提高。在SoC设计中，仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的50%～80%，采用先进的设计与仿真验证方法成为SoC设计成功的关键。

SoC技术的发展趋势是基于SoC开发平台，基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法，分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI噪声、成本、易用性等转移，使系统级集成能力快速发展。

当前无论在国外还是国内，在SoC设计领域已展开激烈的竞争。12.1硬件新技术12.1.3纳米器件1.纳米电子器件纳米电子器件在学术文献中的解释是器件和特征尺寸进入纳米范围后的电子器件，也称为纳米器件。2.纳米器件的典型应用(1)血管纳米“潜水艇”。

(2)纳米机器人。(3)未来战场纳米“小精灵”。一、什么是纳米器件1.什么是纳米科技？

1959年物理学家理查德·费恩曼在一次题目为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。纳米是尺寸或大小的度量单位，10-9米，4倍原子大小，万分之一头发粗细。纳米技术就是研究在千万分之一米(10-7)到亿分之一米(10-9米)内原子、分子和其它类型物质进行操纵和加工的技术。一、什么是纳米器件

二、纳米器件的技术原理

三、纳米器件的现状与发展

四、纳米器件的应用

五、纳米器件的展望

六、国内纳米器件的研究

背景材料2.什么是纳米电子器件纳米电子器件的英文是nano/scaleelectronicdevices；nanoscaleelectronicdevices；nano-electricdevices；纳米电子器件在学术文献中的解释是器件和特征尺寸进入纳米范围后的电子器件，也称为纳米器件。纳米技术可以使芯片集成度进一步提高，电子元件尺寸、体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高计算机的容量和运行速度。纳米电子器件3.纳米器件的研究目标材料和制备：更轻、更强和可设计；长寿命和低维修费；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

微电子和计算机技术：2010年实现100nm的芯片，纳米结构的微处理器，效率提高一百万倍；10倍带宽的高频网络系统；兆兆比特的存储器（提高1000倍）；集成纳米传感器系统。

医学与健康：快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物“导弹”技术；耐用的人体友好的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。

航天和航空：低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米测试、控制和电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。

环境和能源：发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；

孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体；MCM-41有序纳孔材料（孔径10-100nm）用来祛除污物。

生物技术和农业：在纳米尺度上，按照预定的大小、对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖、核酸等。在纳米材料和器件中植入生物材料产生具有生物功能和其他功能的综合性能。，生物仿生化学药品和生物可降解材料，动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。

纳米材料：纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的颗粒。这些颗粒的尺寸只有几个纳米。

二、纳米器件的技术原理

1.纳米器件的技术原理

宏观世界上经典物理、化学、力学的巨大成就：计算机和网络、宇宙飞船、飞机、汽车、机器人等改变了人们的生活方式。纳米世界。几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和染、颜色及水溶性有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去，像真是一些长不大的孩子。在10nm尺度内，由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合及探测、应用它们---纳米科学技术的主要问题。2.纳米电子器件的特点以纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统的电子器件：

(1)工作速度快。纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使产品性能大幅度提高。功耗低，纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。信息存储量大，在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。体积小、重量轻，可使各类电子产品体积和重量大为减小。

(2)纳米金属颗粒易燃易爆。几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大的推力。用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可以加快化学反应速率，大大提高化工合成的产出率。

(3)纳米金属块体耐压耐拉。将金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，强度比一般金属高十几倍，又可拉伸几十倍。用来制造飞机、汽车、轮船，重量可减小到原来的十分之一。

(4)纳米陶瓷刚柔并济。用纳米陶瓷颗粒粉末制成的纳米陶瓷具有塑性，为陶瓷业带来了一场革命。将纳米陶瓷应用到发动机上，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。

(5)纳米氧化物材料五颜六色。纳米氧化物颗粒在光的照射下或在电场作用下能迅速改变颜色。用它做士兵防护激光枪的眼镜再好不过了。将纳米氧化物材料做成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。

(6)纳米半导体材料法力无边。纳米半导体材料可以发出各种颜色的光，可以做成小型的激光光源，还可将吸收的太阳光中的光能变成电能。用它制成的太阳能汽车、太阳能住宅有巨大的环保价值。用纳米半导体做成的各种传感器，可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，在监控汽车尾气和保护大气环境上将得到广泛应用。

(7)纳米药物材料的毫微。把药物与磁性纳米颗粒相结合，服用后，这些纳米药物颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。再在人体外部施加磁场加以导引，使药物集中到患病的组织中，药物治疗的效果会大大提高。还可利用纳米药物颗粒定向阻断毛细血管，“饿”死癌细胞。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离，也可以用来携带DNA治疗基因缺陷症。目前已经用磁性纳米颗粒成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，在治疗人的骨髓疾病的临床实验上获得成功，前途不可限量。

(8)纳米材料的加工性。在纳米尺寸按照人们的意愿，自由地剪裁、构筑材料，这一技术被称为纳米加工技术。该技术可以使不同材质的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可探测到电磁波(包括可见光、红外线和紫外线等)信号，同时还能完成电脑的指令，这就是纳米集成器件。将这种集成器件应用在卫星上，可以使卫星的重量、体积大大减小，发射更容易，成本也更便宜。三、纳米器件的现状与发展1.电子工业迎来纳米时代

随着纳米技术日新月异的发展，2005年全球电子工业加工精度将达到100纳米，从而普遍进入纳米时代。美国电子工业协会预测，今后10年，纳米技术在电子工业中的应用规模将达到3000亿美元。2003年12月，美国众议院通过立法，将发展纳米科技作为国家科研发展的重点。美国科学院已将信息、生物、纳米作为科研的三大支柱。鉴于纳米研究领域接连取得一连串实质性的突破，一个崭新的纳米电子时代可望提前到来。据预测，也许只要再过３到７年，纳米电子技术就会改变计算机业的发展走向。(1)纳米晶体管技术的突破为了发展超微型晶体管，美国新泽西州Lucenttechnologies公司贝尔实验室的研究人员正在从事这种超大规模集成电路的研究并获得突破。2003年5月，该公司研制成功迄今为止有源区（称为有效沟道长度）最小的P沟道MOSFET晶体管。

(2)生产纳米导线研制纳米导线是制造大多数纳米器件和装置的关键因素。美国加州大学伯克利分校最近在改进纳米导线特性方面获得重大进展，被公认为纳米导线的先驱。

(3)开发纳米计算机纳米计算机指的是它的基本元器件尺寸在几到几十纳米范围，突破0.1微米界，实现纳米级器件。纳米器件分子导线(4)硅纳米线传感器硅纳米线的表面积大、表面活性高，对温度、光、湿气等环境因素的敏感度高，外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化，利用其电阻的显著变化可制成纳米传感器，并具有响应速度快、灵敏度高、选择性好等特点，可实现硅纳米线在化学、生物传感中的应用。近两年来，硅纳米线在检测细胞、葡萄糖、过氧化氢、牛类血清蛋白和DNA杂交方面取得了很大进展。

(5)综述近两年来，硅纳米线在作为检测各种不同物质的纳米传感器、纳米晶体管和集成电路元件方面获得了一系列进展。随着器件尺寸的减小，量子限制效应、库仑阻塞效应等新颖性能就会越来越明显，将会从更深层次揭示纳米半导体材料的新现象、新性能，为实现纳米器件的应用打下基础。聚苯乙炔自组装纳米器件

四、纳米器件的应用

纳米技术的大胆应用设想包括：利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来，变成精美的金刚石；将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分；在人血中放入纳米巡航工具，它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇，然后将它们一一分解；将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲，世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的；在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。当然从理论到真正实现应用是不能等同的，但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道电子显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。1.纳米技术与未来战场“小精灵”

(1)易潜伏的蚂蚁机器兵蚂蚁机器兵背上微型探测器，就可在敌方敏感军事区内充当不知疲倦的全天候侦察兵，长期潜伏，不断将敌方情报传回控制站。若它再与微型地雷配合使用，还能实施战略打击。让它们充当杀手，去炸毁或“蚕噬”敌方设备，特别是破坏信息系统和电力设备等基础设施。

(2)易突防的袖珍飞机这种袖珍飞机长度只有几毫米到几十毫米，甚至连肉眼几乎都看不到。由于体积太小，它的能量消耗非常低，但活动能力却很强，本领也很大，可以几小时甚至几天不停地在敌方空域飞行，通过机载微传感器将战场信息传回己方指挥所。(3)像种草一样布放“间谍”利用纳米技术制造微探测器并组网使用，形成分布式战场传感器网络。这种微探测器由战机、直升机或人员实施布放，就像在敌方军事区内种草一样简单，一经布防即自动进入工作状态，能源源不断地送回情报。另外，把间谍草传感器网络与战场打击系统连成一体，就可在战场透明化的基础上实施“点穴式”的精确打击。

(4)血管潜艇救死扶伤只要战场上还有作战人员，就难免出现伤亡，而“血管潜艇”在救死扶伤方面可尽显神奇功能。利用微机电系统制作的一种“血管潜艇”，可从注射针孔中钻进血管内执行任务，一旦发现人体哪部分出现“病变”或“异常”，就会立即发出报警信号，并按医生的指令采取行动，直接将携带的治疗药物释放在伤员病变部位上，或同人体内的细菌和病毒“殊死拼杀”。百变间谍草

2.纳米发电机纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。(A)在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。(B)在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。(C)当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三维电压/电流信号图。近日出版的英国《科学》报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机。

3.纳米机器人

(1)纳米机器人的定义“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。精子驱动纳米机器人

纳米生物学的设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。涉及的内容可归纳为以下三个方面：①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。②在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。③纳米机器人的研制。

第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。

第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，

第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。(2)纳米机器人用不了多久，只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

25年内，纳米技术学家期望创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。就像电脑病毒的传播一样，所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上，一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。给纳米机器人安"脑子...17个四甲基对苯醌分子就是它的全部零件。这个世界上最小的计算机有望让一切纳米装置具备智能。人们设想将它装入纳米机械“盔甲”，注入人的血液，成为与癌细胞战斗的“钢铁侠”。日本国立材料科学研究所的安尼尔班·班德亚帕德耶博士这样形容四甲基对苯醌：“它看上去就像小汽车。”他通常会在特殊的电子显微镜下研究这种有机物分子。在镜头下，这辆“小汽车”拥有六边形苯环组成的“车身”，有4个圆锥体模样的碳氢“车轮”联接其上，而整个分子直径小于1纳米，比可见光的波长还要小数百倍。班德亚帕德耶希望用17个这样的分子拼凑出一部计算机。班德亚帕德耶还有更有趣的想法：造一个纳米计算机，然后将“主机”与分子构成的发动机、推进器、转换装置、电梯、传感器等结合在一起，使它们有机地结合成一个整体。南巴黎大学分子光物理实验室的迪雅尔丹教授认为，这种想法需要满足苛刻的条件：“首先是化学领域创造出纳米级的单分子机械机构，其次是找到精确控制单分子的方法，第三是研制出可传递信息的机器人‘大脑’装置。”纳米汽车4.超立方体可充当未来纳米计算机构架

2008-04-16科技日报报道：美国俄克拉荷马大学的塞缪尔•李与劳埃德•胡克提出一种M维超立方体结构，它有可能成为搭建纳米计算机的结构框架。5.美国科学家利用纳米技术研发电子隐形眼镜据2008-01-18“科学现场”网站报道，美国科学家正在利用纳米技术，开发一种能拉近并分析远处目标的电子隐形眼镜。6.世界最小纳米收音机问世

2007-11-2《科技日报》报道：美国加州大学伯克利分校成功研制出迄今为止世界上最小的收音机7.DNA可望充当纳米级“电线”据2007-07-09新华社报道:

脱氧核糖核酸（DNA）不仅是生命遗传信息的承载者，未来还可能充当纳米级“电线”，用于制造超微电子设备。日本科学家报告说，他们发现电流可以通过DNA流动。8.新技术给人类生存造成了威胁？纽约州立大学材料科学和工程系主任拉费洛维奇教授指出，人类的细胞对于10纳米大小的粒子不具备保护能力，因此，在我们不得不进行补救之前，需要了解更多与纳米粒子有关的细胞生物学知识，探讨使用这些材料的合理性。英国剑桥大学纳米科学实验室主任韦兰教授认为，近期来讲，纳米技术尚没有表现出危害人类生存的问题，但是需要关注和研究纳米粒子的影响问题。

2007-11-19科学时报报道，英国科学家的一项最新研究，首次对碳纳米管进入人类细胞全过程进行了直接观测。研究人员发现，碳纳米管是否会造成细胞死亡取决于剂量和接触时间。这一成果为最终确定碳纳米管的毒性开辟了道路。自从纳米技术兴起后，关于纳米材料毒性的争论就从未停止过。一些研究发现，纳米管有剧毒。(美日科学家造分子机器人探活细胞...)(3)中国纳米机器人中国人也可以像摆棋子一样摆弄原子了。从中科院获悉，一台能够在纳米尺度上操作的机器人系统样机近日由中国科学院沈阳自动化所研制成功，并通过了国家“863”自动化领域智能机器人专家组的验收。在一个演示中，沈阳自动化所的研究人员操纵“纳米微操作机器人”，在一块硅基片上1×2μm的区域上清晰刻出“SIA”三个英文字母（沈阳自动化所的缩写）；另一个演示显示，在一个5×5μm的硅基片上，操作者将一个4μm长、100nm（纳米）粗细的碳纳米管准确移动到一个刻好的沟槽里。我国成功研制纳米操作机器人重庆纳米机器人钻进肚子

五、纳米器件的展望复合动力车、纳米电池、数字记忆、零能耗住房、个人气象站……住在零能耗的房中，做事有数字记忆提醒，用着纳米电池，开着复合动力车，偶尔在亲朋间开点“隐身”的小玩笑……这样的生活在30年后会成为一种现实吗？2007-07-25《环球科学》杂志连续就未来30年人类科技生活的话题展开讨论。目前，科学界的研究已经露出了未来生活的火苗。在现实需求的催生下，也许若干年后我们就是这样生活的——美科学家研制纳米电池充放电1.复合动力车：不但能节省汽油，还能减少污染复合动力车是利用先进的动力电子装置和计算机控制装置。现在，复合动力型车分为几种类型。“全面型”复合型动力车利用多种技术节省汽油；“适度型”复合动力车采用的节油技术较少，避免增加额外成本；而“低端”复合动力车仅在停车时关闭发动机，适度改善燃油效率。全面型复合动力车的最大燃油节省来自于再生制动———能将摩擦损失掉的大部分能量作为电能加以回收。2.纳米电池：微小、环保、未使用时不会丧失电能纳米电池微小、环保、未使用时不会丧失电能。它能保持休眠状态至少15年之久，并随时被唤醒。有了纳米电池，电源最终能与其他电子元件一起微型化，添加到各种设备的芯片上。纳米电池3.数字记忆：备份人生，打造终生数字档案近年来，微软研究部的开发团队着手用数字手段，按时间顺序逐一记录个人生活的方方面面。这项研究课题名为“MyLifeBits”(我人生的每一刻)，它为打造终生数字档案提供了必要工具。在图像和声音的配合下，数字记忆能让往事浮现在人们的脑海中，加深人们对事件的感受。更为方便的是，电脑还能分析数字记忆，帮助人们合理安排时间。如果我们为重要事项安排的时间不足，电脑就会无情地给予提醒。电脑还可以每隔一段时间就记下我们当时的位置，制作一幅记录行程的活动地图。ibm研发纳米存储技术—分子级纳米管存储器工业样品4.零能耗房子：位于阿姆斯特丹的荷兰银行世界总部，安装了数字式微气候调节器和照明装置，它能根据光线和房间占用的变化情况，进行自动调节。澳大利亚墨尔本的一公司大楼，采用了陶瓷燃料电池，不仅能为大楼提供电力，而且还为大楼中的热水系统提供热量。因此，这栋大楼比常规办公楼节能70%。如今，“零能耗”概念也呼之欲出。在家中，最能实现节能的就是厨房设施。目前，烹调用具正朝着节能安全的方向不断改进。这些智能住宅隔热性能良好，安装了太阳能集热器和太阳能电池，不需要商业性能源，总成本与按照现行建筑标准建造的新建筑相当。当然，我们必须周密地协调现有建筑的各种改造措施，避免出现这样的情况：仅仅改造单一的结构(比如壁炉)，而不考虑改造渗漏的管道和单层玻璃窗，这些东西就会浪费新壁炉产生的很多热量。5.家有气象站：天气早知道目前，美国的戴维斯仪器仪表公司推出了个人气象站。即便是被放在拥挤繁华的街道上，这个小小的气象站也能通过无线电波，不断地为我们发送最新的气象报告。个人气象站主要包括传感器集成件和显示控制台两部分。传感器集成件由风速计、温度计、湿度计组成，可以随时收集天气情报。然后通过显示控制台接受传感器发射过来的情报，将它们显示出来。6.芯片制造商梦想着在电脑内安置成百上千个处理器今天，光学硅基调制器已经作为远程信息输送设备得到了广泛的商业化应用，但是制造它的原料却异常昂贵，普通电脑用户根本承担不起。六、国内纳米器件的研究

在纳米科技国际竞争的大环境中，我国在某些方面具有相对优势。第一，我国是世界上少数几个从上世纪90年代就重视纳米材料研究的国家之一。第二，我国具有若干种发展纳米材料的矿物资源和生物资源。第三，我国具有巨大的潜在市场。与国外的纳米科技发展的情况相比，我国纳米材料及应用的产业化方面也有一定的特色和规模。一类是由科研部门和企业共建的如中国科学院纳米工程中心――中关村永丰高新技术产业基地、清华―富士康共建纳米科技中心（投资3.5亿）、天津泰达国家纳米工程产业化基地（泰达工业园区投资3亿）；另外一类是地方政府与大学、研究所共建的，如南京市高聚物纳米复合材料工程技术中心、江苏纳米科技与应用开发中心、浙江省纳米应用工程技术中心、四川成都西部微珠纳米技术研究发展中心、安徽省纳米材料及应用工程技术研究中心、贵州纳米材料工程中心等。还有大学自建的，如西安交大国家大学科技园纳米技术应用工程中心、上海交大纳米科学与技术工程中心。我国在纳米科技的竞争力的不利方面主要有：第一，发展纳米科技需要大量的，长期的经费投入，而纳米科技又是高风险投资的领域。第二，从我国在纳米科技不同的领域的投资来看，纳米材料方面的投入明显高于其它领域的投资，而且目前在建设基础设施和发展基础技术方面的投资极少。第三，我国在纳米科技的主流科技方面，如纳米电子与器件、纳米生物、纳米探测的仪器和技术等领域的科学基础和工业科学基础薄弱，在这方面缺乏竞争力。背景材料1.国家纳米科学中心简介

国家纳米科学中心（以下简称“中心”），英文名称NationalCenterforNanoscienceandTechnology，China(NCNST)，是中国科学院与教育部共建并具有独立事业法人资格的全额拨款直属事业单位（正局级），事业编制155人。中心于2003年3月22日在北京成立，由中国科学院纳米科技中心、北京大学和清华大学联合发起并组建。2.纳米器件物理与化学教育部重点实验室简介纳米器件物理与化学教育部重点实验室成立于2003年10月。它的成立受到了十余位院士的支持。实验室主要由北京大学的纳米物理和纳米化学的研究力量组成。主要研究内容（