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以前在讀書的時候，老師會經(jīng)常提起“費曼學(xué)習(xí)法”，意思是當(dāng)你學(xué)習(xí)某個知識點時，最好的方法是在學(xué)完后將這個知識講給別人或教給別人。在我們親身講解的過程中，將能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)自己知識中的薄弱點，從而鞏固知識。
在MEMS傳感器及許多微納技術(shù)學(xué)科中，我們也會經(jīng)常接觸到理查德·費曼（Richard Feynman）這一名字，他是第一位提出納米概念的人。
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此費曼和彼費曼就是同一人，費曼于1965年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，被認(rèn)為是愛因斯坦之后最睿智的理論物理學(xué)家。
1959年12月，費曼在著名的演講“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)常聽到這次著名的演講名稱或片段。
演講中，費曼提出了納米級機器、可吞咽的手術(shù)機器人、更密集的計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)。
費曼以兩個挑戰(zhàn)結(jié)束了他的演講，并為第一個解決每個挑戰(zhàn)的人提供了 1000 美元的獎金。其中，第一個挑戰(zhàn)涉及建造一個微型電機，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)涉及到微機械制造領(lǐng)域。
▲理查德·費曼（Richard Feynman），是20世紀(jì)最著名的物理學(xué)家之一，1965年，他因在量子電動力學(xué)方面的成就而獲得諾貝爾獎。費曼為科學(xué)界帶來了一種藝術(shù)且獨特的解決問題的方法。
微機電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，縮寫為 MEMS）是將微電子技術(shù)與機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)正是基于費曼的理念——在微米級等極小尺度進(jìn)行的微小操作。
下文，我們來看看這次偉大的演講——MEMS等微納技術(shù)概念的開端。如需《Plenty of Room at the Bottom》演講原稿（英文，PDF），可在傳感器專家網(wǎng)公眾號對話框回復(fù)關(guān)鍵詞【資料下載】，進(jìn)入專家網(wǎng)資源欄目找到對應(yīng)資料下載。
Plenty of Room at the Bottom
我想，實驗物理學(xué)家們一定非常羨慕像卡默林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）這樣的人，因為他發(fā)現(xiàn)了低溫領(lǐng)域，它似乎是無窮無盡的，人們可以在其中一直探索下去。他是一個領(lǐng)導(dǎo)者，在這段科學(xué)冒險中獨領(lǐng)風(fēng)騷。
珀西·布里奇曼（ Percy Bridgman）在進(jìn)行設(shè)計以獲得更高的真空時，開辟了另一個新的領(lǐng)域，并且能夠進(jìn)入這個領(lǐng)域，引導(dǎo)我們前進(jìn)。
現(xiàn)在我想描述一個領(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。這個領(lǐng)域與其他領(lǐng)域并不完全相同，因為它不會解答我們很多基礎(chǔ)物理學(xué)問題（譬如“神奇粒子是什么？”）。但它更像是固態(tài)物理學(xué)，因為它可能會告訴我們很多關(guān)于在復(fù)雜情況下發(fā)生的奇怪現(xiàn)象。另外，最重要的一點是，它在技術(shù)上的應(yīng)用會非常多。
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題。
我一提到這個話題，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，電動機只有你小手指上的指甲那么大。他們告訴我，市場上有一種設(shè)備，你可以用它把主禱文寫在大頭針的針頭上。
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)人們回顧這個時代時，他們會奇怪為什么直到1960年才有人開始認(rèn)真地朝著這個方向前進(jìn)。
為什么我們不能把全套24卷的《大英百科全書》寫在大頭針的針頭上？
讓我們看看會涉及到什么難題。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》所有頁面的面積。因此，只需將大英百科全書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——這大約是百科全書中一個小點的直徑。當(dāng)你將其縮小 25,000 倍時，其直徑是 80 埃，即 32 個原子寬（埃，晶體學(xué)、原子物理、超顯微結(jié)構(gòu)等常用的長度單位，10的負(fù)10次方米，納米的十分之一）。換句話說，在一個這樣的點上，還可以容納1000個原子。
此外，每個點都可以根據(jù)照相雕刻的需要輕松調(diào)整大小，毫無疑問，大頭針頭上有足夠的空間刻上全套《大英百科全書》。
而且，如果可以這樣寫的話，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的；也就是說，在百科全書中黑色的地方，我們有凸起的金屬字母，它們的大小實際上是普通大小的 1/25,000。我們將如何閱讀它？
如果我們有以這種方式編寫的東西，我們可以使用當(dāng)今常用的技術(shù)來閱讀它。（當(dāng)我們真正把它寫出來時，人們無疑會找到更好的方法，但為了保守地表達(dá)我的觀點，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，將硅膠上的塑料溶解掉，然后就可以用電子顯微鏡觀察！
毫無疑問，如果把文字以上凸起字母的形式縮小25,000倍寫在大頭針頭上，并且能夠讀取它，以今天的科技來講是毫無問題的。此外，我們會發(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，我們就會得到另一個副本。
那么我們怎么寫呢？
接下來的問題是：我們怎么寫呢？我們現(xiàn)在沒有標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)來做到這一點。但我要指出的是，這并不像看起來那么困難。我們可以把電子顯微鏡中用做放大功能的鏡頭反置過來，將之用來縮小。當(dāng)一個離子源射出的離子，通過這種倒置的放大鏡頭，就可以聚焦成一個非常小的點。我們可以像在電視陰極射線示波器中寫入一樣，通過橫線一條一條地掃描調(diào)整，來確定在我們掃描線時沉積的材料量。
由于電荷密度的限制，這種方法可能會非常慢。未來將會有更快速的方法，譬如：我們可以首先制作一個屏幕，先通過一些照片處理，上面有字母形式的孔。然后我們會在孔后面劃出一個弧，并通過孔吸引金屬離子；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，這會將金屬沉積在大頭針上。
一種更簡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，通過向后運行的光學(xué)顯微鏡，將其聚焦到一個非常小的光電屏幕上。然后電子離開光照射的屏幕。這些電子被電子顯微鏡透鏡聚焦，直接撞擊金屬表面。如果運行足夠長的時間，這樣的光束會蝕刻掉金屬嗎？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)備不存在強度不足的問題——通常在放大影像時都必須把一點點的電子分得很散地打在熒幕上，因此放大的時候常常會遇到強度上的問題?，F(xiàn)在的情況恰巧相反，由于一整頁文字被聚焦在一個非常小的區(qū)域，因此光的強度非常大。而經(jīng)由光電熒幕所跳出來的少數(shù)電子又被聚焦到非常小的區(qū)域，因此其強度也是非常地強。我真是不明白，既然如此，為什么目前還沒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》，現(xiàn)在讓我們考慮一下世界上所有的書。美國國會圖書館擁有約 900 萬冊圖書；大英博物館圖書館擁有 500 萬冊圖書；法國國家圖書館也藏有500萬冊圖書。毫無疑問，存在重復(fù)，所以讓我們假設(shè)世界上有大約 2400 萬冊的書籍。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，會發(fā)生什么？需要多少空間？
它需要大約一百萬個針頭的面積，因為《大英百科全書》只有 24 卷，而這些書籍有 2400 萬卷。也就是說，我們用來復(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 35 頁的大小，這大約相當(dāng)于半本雜志。全人類記錄在書籍中的所有信息都可以在你手中的小冊子中隨身攜帶——而且不是用代碼編寫的，而是用小尺寸簡單復(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)院的圖書館員從一棟大樓跑到另一棟大樓時，如果我告訴她，十年后，她正在努力保管的所有信息——120,000 冊書，從地板堆到天花板、裝滿卡片的抽屜、裝滿舊書的儲藏室——只需一張借書卡即可保存！她會作何反應(yīng)？
當(dāng)巴西大學(xué)發(fā)現(xiàn)他們的圖書館被燒毀時，我們可以在幾個小時內(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籍的信封中，這個副本在短短幾小時內(nèi)即可寄到巴西大學(xué)圖書管理員的手中。
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，我們只編寫點和線之類的代碼，以表示各種字母。每個字母代表六到七個"比特"的信息；也就是說，只需要大約六到七個點或線就能代表一個字母。現(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來表示一個點，用另一種金屬的相鄰斑點來表示一個劃線，以此類推。保守起見，假設(shè)一個信息比特將需要一個由原子構(gòu)成的小立方體，尺寸為5乘5乘5，即125個原子?；蛟S我們需要一百多個原子來確保信息不會因為擴散或其他過程丟失。
我已經(jīng)估算了百科全書中有多少字母，并假設(shè)2400萬本書中的每一本都和一卷百科全書一樣大，然后計算了有多少比特的信息。每個比特允許使用100個原子。結(jié)果表明，人類在全世界的書籍中精心積累的所有信息可以以這種形式書寫在一個直徑為二百分之一英寸的材料立方體中——這是人眼能夠察覺到的最小塵埃。所以，空間還有很多！別對我提微縮膠片！
生物學(xué)家們早就知道，大量資訊可以儲存在微小空間里，而且在我們理解前面的一切理論之前，這個謎早已有解答了：在最小的一個生物細(xì)胞里，像我們自身這樣復(fù)雜的生物資訊是如何儲存下來的呢。眼睛是不是棕色的，到底會不會思考，在胚胎的時候下巴骨內(nèi)部就應(yīng)該先長出個小洞，以便在里面能夠長出一條神經(jīng)，這一切一切的資訊都儲存在長長的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)胞存儲一比特信息大約大概需要50個原子。
更好的電子顯微鏡
生物學(xué)家們早就知道大量資訊是可以儲存在微小空間里的事實，而且在我們理解前面的一切理論之前，這個謎早已有解答了：在最小的一個生物細(xì)胞里，像我們這樣復(fù)雜的生物資訊是如何儲存下來的呢。眼睛是不是棕色的，到底會不會思考，在胚胎的時候下巴骨內(nèi)部就應(yīng)該先長出個小洞，以便在里面能夠長出一條神經(jīng)，這一切一切的資訊都儲存在長長的DNA分子鏈里，而其卻只占細(xì)胞的一小部分；在這里面，細(xì)胞儲存每一位元的資訊大約是50個原子。
如果我們以符號來寫，用5×5×5個原子表示每一位元，有個問題：今天怎么來讀它？小心而努力地用電子顯微鏡來看，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，也沒有違背電子折射的法則。在這樣一個電子顯微鏡中，電子的波長約為1/20?。因此有可能看到一個原子。清晰地看到個別的原子有什么好處？
我們在其他領(lǐng)域有朋友，假定是生物學(xué)家。我們物理學(xué)家?？粗麄冋f：“你知道為什么你們沒有什么進(jìn)展嗎？”（實際上，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，多用點數(shù)學(xué)?！彼麄冊究梢匀绱嘶卮穑撬麄兒芏Y貌，因此我替他們說：“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?！?/p>
今天，生物學(xué)最核心最基本的問題是什么？是像這樣：DNA中，堿基的序列如何？如果有個突變會發(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，這些生物學(xué)的基本問題有許多都容易回答。你會看到鏈上堿基的序列；你會看到微粒體的結(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)的問題就容易多了。我當(dāng)然有點夸張，可是生物學(xué)家一定會感謝這個改進(jìn)，而且比起他們應(yīng)該用數(shù)學(xué)的批評，他們也會喜歡前者。
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。如果你拿到一個奇怪的物質(zhì)，想知道是什么，就要經(jīng)過漫長復(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)可以是非常簡單的；只要看它上面原子在那兒。問題是電子顯微鏡差了100倍。（稍后我想問：物理學(xué)家可以做到化學(xué)的第三個問題——也就是合成嗎？有個物理方法來合成任何化學(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？為什么要用靜止的磁場？我們不能用脈沖的電子束和沿電子運動方向一路上增強的場？一定要用對稱的場嗎？我向外發(fā)出這個挑戰(zhàn)：沒辦法讓電子顯微鏡更強嗎？
神奇的生物系統(tǒng)
生物學(xué)上有關(guān)在小尺度上編寫信息的例子激發(fā)了我對一種可能性的思考。生物學(xué)不僅僅是在編寫信息；它還在采取相應(yīng)的行動。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；它們扭動；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，它們還儲存信息。想象一下，我們也可能制造出一個非常小的東西，可以根據(jù)我們的意愿進(jìn)行操作——我們可以制造一個在那個層級上進(jìn)行工作的物體！
制造非常小的物體甚至有經(jīng)濟上的好處。讓我提醒你們一些計算機的問題。在計算機中，我們必須存儲大量的信息。我之前提到的那種以金屬分布的方式進(jìn)行的寫作是永久性的。對計算機來說，更有趣的是一種寫入、擦除、再寫入其他內(nèi)容的方式。（通常這是因為我們不想浪費剛剛寫過的材料。然而，如果我們能在一個非常小的空間中寫入它，那就沒有任何影響；在閱讀后可以扔掉。這不會花費太多材料。）
制造微型電腦
我不知道怎樣用實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。我是說很小。例如導(dǎo)線應(yīng)該直徑在10或100原子寬，電路長寬應(yīng)該只有幾千?。任何分析過電腦的邏輯理論的人都有這個結(jié)論：如果電腦因為元件尺寸縮小幾個數(shù)量級而能做得更復(fù)雜，則電腦可能做到的事會非常的有趣。如果電腦的元件是現(xiàn)在的百萬倍，就能做判斷。電腦會有時間計算出做下一個計算的最佳方法。它們會根據(jù)經(jīng)驗選擇比我們會告訴它們的方法更好的分析方法。在許多其它方面，它們會有新的特質(zhì)。
如果看到熟人的臉我會立刻發(fā)覺曾經(jīng)見過（實際上，我的朋友會說我挑了個不好的例子。至少我還認(rèn)得那是人，不是蘋果）。但是還沒有機器能以同樣的速度看到一張相片，認(rèn)出那是個人的；更沒法認(rèn)出是從前見過的同一個人，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。現(xiàn)在，我頭殼里的電腦很容易就做得到。我們造的電腦卻不行。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。我想來制造更小的。
如果想造個電腦，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。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題；需要10的9次方伏安為單位計算的功率來維持電腦運作。更實際的問題是，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，必須做得越來越小。
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？既然我們討論過以原子的排列來寫，我們可能就會考慮一種可能：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）時你曾對自己說：“如果能訓(xùn)練螞蟻來做就好了！”我想提議訓(xùn)練螞蟻來訓(xùn)練更小的蟲來做這事。小而可動的機器能做些什么？它們不一定很有用，但是制造它們一定很有趣。
考慮任一機器（例如汽車），提出制造超微版的相關(guān)問題。假定在某汽車的設(shè)計中，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，就不會運行順利。如果要造的東西太小，就得考慮原子的尺寸；如果一個圓很小，就無法以所謂的“球”做出這個圓。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個原子大小時，就可以將汽車尺寸縮為1/4,000左右，大約是1mm長寬。非常明顯的是：如果重新設(shè)計汽車，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。
考慮這樣小的機器的問題十分有趣。首先，在零件受到同樣壓力時，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，材料的強度隨尺寸的縮小而增強。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），在尺寸極小時這就很惱人，因為材料不夠均勻。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造就我們的小機器。
系統(tǒng)中的電機零件有點問題——銅導(dǎo)線和磁性零件有問題。尺寸極小時的磁性質(zhì)和大尺寸時不同。牽涉到線圈的問題。大號電磁鐵可以繞個上百萬圈線，小號的也許只能繞一圈。電機零件不能只是尺縮小尺寸；必須重新設(shè)計。但是我不覺得不能重新設(shè)計以能運作。
這樣小的機器會有什么用處？誰曉得。超小型車輛只能讓超小的蟲開，而且連基督徒也不會那樣雞婆。我曾提到在具備小車床和其它超小型機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改進(jìn)設(shè)計；請完全利用小尺寸時的各種特性，并使全自動最容易達(dá)成。
一位朋友（ARHibbs）提出了非常有趣的用途。他說（雖然這非常瘋狂）動手術(shù)時能把手術(shù)醫(yī)師吞下去會很有趣。把機械手術(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）。它找出有問題的瓣膜，拿出一只小刀割掉。其它小機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@有趣的問題：我們怎樣造這樣小的機器？我留給各位解答。但是讓我提出個古怪的建議。在原子能廠里有很多材料與機器變得有放射性，沒法直接處理。它們有一組主從手臂來旋下螺帽，放上螺絲釘，及做其它事。操作一具主手臂，從手臂會做一樣的動作；如此就可以把螺帽轉(zhuǎn)來轉(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，傳送電訊而非機械訊號。你轉(zhuǎn)動操縱桿，操縱桿轉(zhuǎn)動伺服馬達(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——一個電力帶動的主從系統(tǒng)。從系統(tǒng)由現(xiàn)代的大型機工極小心地制造，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。你可能會說一次可以縮小更多倍。當(dāng)然。這全都要非常小心地設(shè)計，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，因為描圖洞太松和縮圖器制造時的誤差。縮圖器尾端抖動的誤差比你的手移動時的誤差還大。如此來縮小尺寸時，會發(fā)現(xiàn)一堆串接的縮圖器的最末端震動得什么也不能做。在每個階段都要改進(jìn)機件的精度。若由縮圖器造了一個小車床，其中有個螺絲不夠精密（比原尺寸的螺絲還不精密），可以找來螺帽，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。
用三個不平的平面相互摩擦，可以使完成的三個平面都比原先任何一個更光滑。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——很耗時很難的計劃。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，我打算造十個，并把它們都連接到主手臂上，如此十個手臂會同時做同一動作。再縮為1/4時，每個小從手臂造出十個小小從手臂，這樣就有了100個1/16尺寸的小小從手臂。
我們要把這些數(shù)以百萬計的車床放在哪？這完全不是問題。體積總和還比一個全尺寸車床小。假設(shè)造了十億個小車床，每個小車床尺寸是原尺寸的1/4,000，則材料和空間都不成問題，因為用掉的材料比全尺寸車床的2%還少。你瞧，材料完全不花什么錢。因此我想造十億個相同的小工廠，同時進(jìn)行制造、鉆孔、鑄造零件、及其它事。
在縮小的過程中，會產(chǎn)生一些有趣的問題。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）吸在一塊兒也是問題。情形會像這樣：完成一件零件后，想把螺帽從螺絲上轉(zhuǎn)下來，結(jié)果掉不下來，因為重力不夠大。想把螺帽從螺絲上弄下來還很難呢。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)計時要考慮許多同類性質(zhì)的問題。
重新排列原子
我不怕討論這最終的問題：將來我們?nèi)绾我牢覀兿胍姆绞脚帕性?，尺寸縮小到排列原子的地步。如果可以依我們想要的方式一個一個地排列原子，會怎樣呢？(當(dāng)然要合理地排，不能亂來。例如不能排成化學(xué)上不穩(wěn)定的排列方式。)
到目前為止，我們覺得挖到地里來取得金屬礦物沒什么不好。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。我們沒法有東西排成棋盤一樣，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，這能用來干什么？如果真能依我們所想來排列原子，產(chǎn)物會有什么性質(zhì)？研究這些物質(zhì)的理論會很有趣。我不知道會發(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，一切物質(zhì)的性質(zhì)范圍會大得多，我們能做的事也會多得多。
想像我們在一片材料里造出小線圈和蓄電器（或利用固態(tài)物理造出的類似東西），每個元件1,000或10,000?，一個接一個排滿一大片，尾端伸出天線。造這一整組元件?？赡芟駨囊惶滋炀€發(fā)射無線電波。對歐洲傳送節(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)濟上都不很有用）我已經(jīng)考慮過建造小尺寸電氣元件的一些問題。阻抗的問題相當(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（因為波長和尺寸成正比）。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)或者其他技巧來解決問題。
當(dāng)我們到達(dá)了這個非常小的世界——例如7個原子組成的線路——我們會發(fā)現(xiàn)許多可利用來幫助設(shè)計的新現(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)模上沒有東西一樣。因此在縮小尺寸和撥弄原子的過程中，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。另一件我們會注意到的事是：只要造得夠小，所有我們造的機件都可以大量制造得完全和正本一模一樣。大的機器沒法造得一模一樣。但是如果你的機器只有100個原子高，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個原子高。
到了原子的階段，會碰到新的力、新的可能性和新的效應(yīng)。制造和材料的重制會有不同的問題。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，一個個原子地計畫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；只是因為我們尺寸太大而尚未實行。
最終我們可以做化學(xué)合成。一個化學(xué)家會跑來找我們，說："我想要個分子，排列是這樣排的；幫我造出來。"化學(xué)家想造某種分子時，方法都很神秘。他發(fā)現(xiàn)這物質(zhì)有這種環(huán)，因而混合這個和那個，搖一搖，搞來搞去，在完成一個艱難步驟之后通常都能合成他想要的東西。當(dāng)我的裝置可以運轉(zhuǎn)時，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)家的方法會完全沒有用。
這很有趣：理論上物理學(xué)家有可能合成化學(xué)家寫下來的任何化學(xué)物質(zhì)。下個命令，然后物理學(xué)家來合成。聽來如何？把原子放在化學(xué)家說的地方，就能造出這個物質(zhì)。如果我們能看到我們在做什么，和能在原子的尺度上操作東西，化學(xué)和生物學(xué)的許多問題就能夠解決。而這樣的發(fā)展我想是無可避免的。
現(xiàn)在你可能會說，誰該做這件事，為什么要做？我已經(jīng)指出幾項有經(jīng)濟價值的應(yīng)用，但你們可能會為好玩而做。那就來玩罷！我們來個實驗室之間的競賽。一個實驗室造了小馬達(dá)寄到另外一間實驗室，第二間實驗室可能寄回個東西可以放在該小馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸里。
高中競賽
為了好玩，也為了讓孩子們對這個領(lǐng)域產(chǎn)生興趣，我建議與高中保有某種聯(lián)系的人創(chuàng)造出一種高中競賽的形式。畢竟，我們在這個領(lǐng)域甚至還沒有開始有所動作，而孩子們的字都能寫得比以前更小。他們可以在高中進(jìn)行競賽。洛杉磯高中可以將一根針寄給威尼斯高中，在針上寫著“這個怎么樣？”后者會把針寄回來，在“i”的點上寫著“沒那么好”。
也許這不足以激發(fā)你去做這件事，只有經(jīng)濟動機才能驅(qū)動你。那么我想要做一些事情；但我目前不能這么做，因為我還沒有準(zhǔn)備好。能夠?qū)⒁槐緯囊豁撔畔⒎旁谝粋€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讀取這些信息的第一個人，我打算獎勵1000美元給他/她。
我還想提供另一個獎勵——首先我得好好想想措辭，以避免陷入關(guān)于定義的混亂爭論——第一個制造出一臺可以從外部控制的、尺寸只有1/64立方英寸的旋轉(zhuǎn)電動機（不包括引線）的人，我也打算獎勵1000美元給他/她。
我希望自己不需要等很長時間才會有人來領(lǐng)取這兩個獎勵。
因原文篇幅較長，本文部分翻譯資料綜合自網(wǎng)絡(luò)。
