纳米工程与智能自动化

　　1引言

　　在我们的地球上，客观物质世界经历了亿万年的沧海桑田的变迁，产生了人类和其头部的特殊物质——人脑种客观物质世界的对立物——主观精神世界。此后，历史又走过了几千年的人类文明史——生产斗争、社会阶级斗争和科学实验的峰火洗礼，由人类的大脑和双手的劳动制造出了人脑的异化物——智能机、智能装置、智能机器人——人脑化的新的物质形式。在经历了物质——精神——精神与物质相结合的新物质的对立统一、否定之否定螺旋上升的巨大的历史过程后，当今世界正处于一个科学技术、生产方式与人类社会三维巨变的突破口上，这个突破点就是最近几年世界上正在蓬勃兴起的纳米工程及其理论、技术基础——纳米科学技术，而其加速助燃剂则是智能工程及其理论技术基础——智能自动化科学技术。而这智能自动化时代到来的标志将是超高速、超大容量、软硬件统一基础上实现符号推理与神经网络相结合，模糊与精确相一致，能平行分布进行信息处理，能自我修复和再生，并能直接与人脑信息交流互存、光速运行的人脑型智能机的诞生、改进与完善，并向人类活动的所有领域伸展、渗透和全方位普及应用，就象今天的现代数字计算机一样。如果说现代数字计算机的广泛使用，促使当今人类社会爆发了空前、全面的革命的话，那么，全新概念的光速人脑型智能机在人类活动的所有领域的普及应用，必将使人类社会发生翻天覆地的魔术巨变，并将人类引向五彩缤纷的神幻世界。

　　‘自动化”原本是人类谋求自身从劳动生产以及客观世界的各种束缚中解放出来，不断地从必然王国走向自由王国的一把金钥匙。在经历了机械自动化包括液压与气压自动化)、电子电气自动化、计算机自动化的各个发展阶段后，当今时代正在向着智能自动化大步迈进。机械自动化与电子电气自动化逐步解放了人类的体力劳动，计算自动化则开始了人类解放脑力劳动的进程，而智能自动化将使人类向着全面彻底地解放所有的脑力与体力劳动”的方向迅猛前进。智能自动化将使人类的生产、工作、学习、生活及一切活动中形形色色的机器设备、仪器仪表、器件装置、用具物品都能根据环境条件与人类意志的需要和可能，具备不同程度的自学习、自适应、自组织和自修复、再生能力，以至达到一定程度的自我意识、自我完善和改进、自我全面优化各项性能指标的理想状态，从而能够具有观察、测量大、远至亿万光年外的宇宙天体，小、近至分子、原子和基本粒子的无限感知能力，它们与人脑型智能机紧密结合，将使人类的感知、意志和控制活动到达宇宙中的巨细万物，从而使客观物质与主观精神的结合螺旋上升到一个全新的‘人机结合”境界。现阶段，智能自动化的发展方向，正如我国著名科学家钱学森同志指出的那样，用定量到定性的综合集成方法”以现代‘多媒体”与‘炅境”技术为人机界面，逐步完成开放复杂的巨系统”的研制，向实现所谓大成智慧工程”的方向而努力。现今国际上，智能自动化”正在向‘专家系统”模糊技术和神经网络以至混沌、分形、小波等非线性科技相结合的方向发展。然而，人工智能符号推理的实质，模糊技术中模糊与精确转化与统一的依据，神经网络中以吸引子不动点、极限环或低维混沌吸引子)计算和存贮，实现网络状态收敛的实质以及高度复杂的非线性动力学系统，协同行为和集体计算的物理机制等一系列难解之谜的彻底揭开，这一切都将有赖于对‘人脑”信息处理的微观机制的奥秘的深入探索。目前国际上方兴未艾、应运而生的‘纳米科学技术”正是一条通往客观世界分子、原子幽深微观世界的神秘通道。‘智能自动化”科学技术将在这个幽深神秘的分子、原子的微观世界中起飞，实现一次革命性的质的飞跃。

　　2纳米工程与智能科技的相互推进

　　以往人类在所有科学技术领域里的研究探索工作，由于受技术手段的限制，只能从客观事物的宏观性能、属性以及其功能着眼，进行规划、计算、设计，而对于其微观机理的实质，只能以宏观现象为依据，作出一些假设、假说、公理，辅之以实验，实践的间接验证，以及理论的推理、证明，据之以开展研究工作。随着当今国际科学技术迅猛发展，1982年美国IBM公司的G•Binnig和H•Rohrer在人类历史上第一次研制成功用于实际测量、传感、加工导体材料的分子、原子尺度三维位移、形貌的扫描隧道显微镜7TM)，并于1986年相继又研制出可以检测导体与非导体材料分子、原子尺度三维位移、形貌与作用力的原子力显微镜：FM)，从而为人类打开了分子、原子世界幽深神秘的大门，获得了1986年诺贝尔奖金，从而实现了30多年前，世界著名物理学家，诺贝尔奖获得者理查德•费曼在美国物理学会一次年会上富有远见的报告中预言：人类可以用宏观的机器一步步地制造出越来越微小的机器，直至制造出分子尺度的机器，并用以在原子和分子尺度上操纵和控制物质，而且按自己的主观意愿排列原子，在原子水平上研究新的相互作用力、新颖的性质以及千奇百怪的效应，进而实现设计、构筑人类所需的形形色色、丰富多彩的物质和机构，制造微型化计算机，用大头针的头部记录大英百科全书的理想。于是，集分子、原子级精度的传感、控制、检测和加工技术于一体的、实用化的纳米工程”诞生了。

　　在21世纪，绝大多数今日的电子技术将为光子技术所代替，光子技术在大多数性能上远远超越电子技术，许多方面为电子技术所无法比拟。光速高于电子速度的几个数量级，这是未来生产力为今日生产力千万倍以上的物质根据，加之以智能自动化技术巨大的强化扩大作用，因此未来人类社会在物质生活方面的各方面需求由此引出的经济政治上的种种问题)将成为次要矛盾，而人们精神生活上的无限要求将可能要由人们高文化素质产生的高度理智来给予合理的规范。

　　首先，纳米材料学与纳米化学及相应的工程技术，将为新一代智能机制造出满足各种需求特性的、性能优异的功能性物质材料。例如德国萨尔布吕肯市的新材料研究所通过对纳米级微粒子进行处理，量体裁衣”式地改变材料或改善其性质，或把各种粒子排列方法编成电脑程序，制造出事先就确定其性能的材料。他们以此把金属变成半导体或光学材料，或制成极薄的透明涂料，涂在玻璃、塑料、金属、漆器或磨光的大理石上，使之具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能;也可使塑料眼镜片既轻又耐磨，又不会破碎;也可使窗户玻璃不易脏，在1000*高温下不溶化，而成本却大大下降。如今已研制出一批微粒材料，可用作光学电子计算机的光学开关，它可以没有移动动作，只通过光的材料变性作用，把光束导向各个不同方向。同时还在研制另一种纳米材料，可通过电化学反应，不经过燃烧，实现天然气到电能的直接转换，效率提高20+~30+，又减少了C〇2排放量。由此可见，人类控制材料性能的自由度大大增强了。

　　最近，我国科技工作者在纳米材料优异特性的开发工作中，取得了一系列有国际领先水平的成绩。例如长春应化所苏锹院士等研制成功在高能电磁辐射下，存贮、记忆文字图像的稀土涂料。武汉理工大学技术人员开发出能自动分解油污等有机物尘埃的不需清洗的自洁玻璃;中科院固体物理所开发出固载型纳米催化剂，用于亲水性有机硅合成，催化转化率达98+以上。又如中科院化学所江雷博士研究小组运用纳米模板挤压法研制成功，具有防雨水，透汗水的丙烯腈纳米纤维，双重功能的衣物，也可制作防水拒油污的自洁工作服纤维布。

　　再其次，纳米级计量、定位和控制技术为人脑智能机各功能部分的性能研究、计量、检验、测试扫清了障碍。例如用场离子束显微镜可测场散射;用扫描电子显微镜可测次级电子;用扫描隧道显微镜测电荷密度;用原子力显微镜测原子力和离子力;用扫描电容显微镜测表面电容;用差分干涉显微镜测光学反射，用纳米探针装置绘制原子、分子拓扑图和纳米级机构的结构图，以及用一种新型激光干涉仪实现位移测量的亚纳米分辩率0.6nm/LSB)、高稳定性2.5nm/day)、高线性(<1LSB和高跟踪速度=1000mmS>1)。纳米级的连续的或点对点高精度轨迹曲线的定位控制技术，这就为新一代人脑型智能机创造了研究、制造、检测的先决条件。其中应用最广泛的、低于1!)定位精度要求的定位机构的执行元件，是利用压电效应的压电元件和电磁元件，它与其它音圈、静压、电磁、静电执行元件相比，具有容量大，需电少，定位分辩率高，效力大，响应速度快等一系列优点。在控制技术上大多采用振荡电路、脉宽调制和电荷控制等闭环控制方法，也有的采用插入电容、软件补偿实现线性的开环控制技术。

　　在这方面，我国的科技工作者也作出了世界领先的骄人的成绩。例如我国廊坊标普纳米测控技术有限公司的研究人员在世界上独树一帜地开发出一整套九大系列数十个型号品种的微/纳米光电测控仪器，其应用范围遍及军用、民用、传统工业、现代制造业，技术上具有鲜明的中国特色，性能优于国外产品，价格低于进口产品，出口美欧等经济科技强国，在高科技产品领域为国争了光。

　　智能自动化正在强力促进生物与医学技术的高速发展。日本将从今年开始实施‘纳米医疗器械开发计划”。其具体开发项目有：直径1毫米的微型内窥镜等能够到达体内深处的微型医疗器械;能够观察蛋白质活动状态的超精细图象装置;能够高效地把药物送到病灶细胞的投药系统。

　　最近，上海复旦大学生命科学学院等单位已成功地建立了基因芯片制备及应用体系，其核心包括高密度基因芯片制作和应用、寡核苷酸基因芯片制备以及修饰基因芯片制备，并申请了核糖核酸逆转录反应方法、核糖核酸扩增标记探针制备法、基因芯片逆转录探针标记法等9项专利。更可喜的是中国科学院生化细胞所胡赓熙研究员在世界率先开发出‘多肿瘤标志物蛋白质生物芯片检测系统“一次只需抽0.5毫升血，通过分析芯片上十几种肿瘤标志物，便能在数十分钟内同时完成肝癌、肺癌、胃癌、食道癌等12种癌症的准确检测，大大提高了早期癌症的发现率，极大地提高了肿瘤患者的生存率。

　　纳米生物学对DNA基因调控的分子、原子水平的深入研究将大大有助于我们对未来全新智能机控制机制和系统结构的设计制造;而对纳米结构自组装机理的探索，则又将对未来智能机的自组织、自修复与再生功能的研究提供启发性思路。德国科学家在人类历史上第一次成功地用红外线技术拍摄了人脑活动细胞的影片。人们可以在影片中清晰地看到脑细胞正在转动和游走，还可以看到脑细胞对药物刺激所产生的反应。在一次人脑与计算机”的国际研讨会上，科学家们还交流了有关大脑与电脑连接的可行性研究。在此会上，奥地利一位科学家声称他已经试验成功地用大脑直接指挥电脑荧光屏的光标，即用思维指挥光标朝着任意需要的方向运动，并在一分钟内从字母表中选出字母，组成一个单词。这就表明人类已有可能让现代计算机具有人脑的部分功能，实现更高的人机组合”。在没有特定程序指挥的情况下，通过神经网络”学习并完成自己的工作。这也表明：在十多年前就曾想提出的通过人机知识相互交流互存形式，采用高速拷贝”方法解决人人必须重复经历几十年漫长岁月而强迫接受基础教育，并不断知识积累、知识更新，却并非人人自愿、而又是必须终身学习的问题。如果能通过精微的纳米量子智能机控制基因密码指挥人脑细胞的高速学习记忆过程，那么人类就不必人人经受几十年寒窗苦读”之苦了。德国与奥地利科学家的此类工作为智能自动化”的研宄掀开了新的一页。

　　还应指出的是，单电子晶体管”的研制成功还可能为人类更进一步把视觉伸向更深层的基本粒子如中子、质子、各类介子、中微子、光子、电子以至各种夸克粒子的内部结构打破坚冰，开通航道，正如今天我们人类已用集成电路半导体晶体管和电子透镜的巨大的放大作用，窥见到原子、分子的真实形貌一样。同时也使我们从人脑思维改造物质世界的巨大威力联想到了未来的光速以至超光速人脑智能机，与能感知宇宙巨细万物物理和化学性能的超微型仪器仪表直接连接，将产生的更加无法估量、难以想象的魔法神力。

　　综上所述，在当今纳米科技全面迅猛进展的国际形势下，彻底揭开人脑思维机制的奥秘的日期正在临近，创造全新概念、软硬件有机结合、各种矛盾辩证统一的光速人脑型智能机，从研究、设计、定位、计量、测绘、检验与加工制造等各方面都已准备了现实的条件，我国领导与科技人员只要能以深远的战略眼光、周密的组织部署、坚实的行动措施，充分调动国内外上下各方有关人员和组织的一切积极因素，在经费、信息、试验设备等各方面为科技人员创造一切必要的条件，人类历史上第一台全新概念光速人脑型智能机完全有可能在中华神州大地上诞生，并不断改进完善、普及应用，进而向全球飞速扩展，为五彩缤纷、神幻般的、人类辉煌的明天的到来作出中华民族最大的贡献!