第 8卷 第 3期
2∞0年 9月
鹭江职业大学学报
Jotm~ of iang Univeraity
Vol 8 No．3
Sep 舢
[文章编号]1008—3804(2(}00}03—0023～03
微 型 机 械 的 前 景 与 挑 战
一
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(鹭江职韭大学 福建 厦门 361005) (鹭江职韭大学 机械系 ，福建 厦门 )
[摘 要]微型机械是一个全新的领域
电子机械 系统，无一不展现出奇特 的功能 ．
新的问题，带来 了新的挑战．
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从微 型 人造 小昆 虫 、微 型 飞行 器到 微
微型机械的前景十分诱人 ，但也带来了
[关键词]篓 垫垫 丝型 垄 卫 -墼型 豇鍪j丝皇±垫垫玉 垂一
[中图分类号]TP391 7 [文献标识码]E
微型机械在 20世纪 80年代未才 出现 ，最近几年开 始活跃 ，目前全世界各 国都十分重
视，其原因在于这种技术有望在各个领域开发出更多 、更新的用途 ，如在工业 ，医疗 ，信息
通讯产业 ，军事等方面．许多国家的政府从本国未来的经济发展出发 ，在此领域大力投资，
通过不同方式进行各种研究．日本政府正在资助一项有 26家公司参与、为期 l0年 、耗资约
2 2亿美元的微型机械系统技术项 目．美 国政府光是国防部每年就有 3 500万美元以上的预
算用于此项研究 ，德国政府计划每年资助 6 500万美元进行研究 ．日本微型机械 中心主任广
野孝之认为：“我们正在发起一场堪与 16世纪工业革命相媲美的革命运 动”．美 国加州大学
工程师克利斯 ．皮斯特提出：“微型化不仅仅会具有迷人的魅力 ，也是未来科学技术发展的
趋势” 微型机械很可能将引发出一场新的工业革命 ．
I 微型机械的常见构型及应用
微型机械目前已出现各种各样的应用，它遍及各个领域，其制造方法是多种多样，种类
五花／"kI'q，人们对其尺寸大小的划分并不一致 ．用微米 (100nlm)或纳米 (10 mrn)级电
机或部件装配起来的机械，通常就称为微型机械- ．这里我们仅介绍目前最常见的构型及应
用 ．
1 1 微型人造小昆虫
美国加州大学要求前来参观克利斯 ·皮斯特实验室的来访者遵守一条不成文的规定：
“若是看到地上有像小虫子一样爬来爬去的东西，千万不要一脚踩上去 ，因为这很可能不是
小虫子而是人造昆虫” 他们用微型铰链、齿轮、电机装配成像蚂蚁那么大小的昆虫 这些
[收稿 日期]2000—05—16
[作者简介]韩星 (1952一)，女，江苏海安人，鹭江职业太学副教授，从事机械辅助制造研究
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鹭江职业大学学报 2000正
人工蚂蚁会不知疲倦地干活，制造各种微型产品
日本 目前造 出能在发电站 、核 电站 中
转折弯曲的管道里爬来爬去搜寻裂缝 ，直
径仅仅为 5．5 r一 的 “尺蠖虫”．图 1所示
是一套无线连接微型机械结构 ，系统主要
由微型的压电驱动执行器 、光学和微波原
理的电源和数据传输元件 、微型 的 CCD摄
像机组成 ，用于检验发 电厂各种管道内表
面．这种 系统 能在 弯 曲管道 内 自由移动
甚至可以复制 自己
(管道最小 内径 为 10rmn)，检查管道 内表
面，并通过无线 电传输图像信号．3l 图1 检测管道内表面的无线连接微型机械结构
日本东京大学的机器人工程师三浦广文正研制一种微型硅制昆虫，它们可以飞 他希望
能像驯养牛马那样能随 tb所欲地控制这些人造昆虫，因为真正的昆虫 目前还无法按照人们 的
意愿行事。他想用这种人造昆虫进行温室花朵 的授粉 ，并能杀灭有危害作用的昆虫 ．据悉 ，
在经过大量研究后发现所有飞行 昆虫中苍蝇的构造是最先进，因此 ，西方国家造出各种人工
小苍蝇用于收集情报 ，已作为间谍活动虽有力的工具之一 ．
军事上，军用人造 “小蚂蚁”可以携带电脑病毒 ，轻松爬进敌方 电脑 ，破坏其指令系
统 ，使其指挥系统失灵或发出错误指令
1．2 微型飞行器 (MAv)
美国先期投资 3 500万美元重点研究微型飞行器 (MAV)，它不是普通飞机或直升飞机
的微型化 ，而是一种典型的集成化智能徽系统 ，称为空 中机器人 ，可 以做 6个 自由度的运
动．研究发现 ，微型飞行器的翅膀必须像鸟一样挥动才能灵活飞行 ．美军方正制造一种像鸟
一 样的飞行器 ，它能挥动翅膀飞到附近的丛林中，在巷战中飞到临近的街角，将所侦察到的
一 切情报用电视图像发回 微型飞行器将成为战争 的重要装备 ．MAV还可 以用 于环境 、森
林监测 ，科学考察等领域 _4 J
德国也制造出能 自行升空的黄蜂般大小 的直升机 ，重量连半克都不到，目前 可升空到
130ram，具有香蕉状双旋翼 ，可以在米粒上起飞和降落
未来的战争可能是 “小鱼吃大鱼”的战争 ．“蚊子奇兵”可以悄然飞进敌指挥 中心，进
行拍照、窃听；并可以识别出敌高级指挥官，必要时可以 “螫其一口”，使其 “莫名其妙”
地 昏睡或死亡；或者引爆 自己，和弹药库 、指挥中 tb同归于尽 ．“苍蝇导弹”可以神不知鬼
不觉地飞抵敌军事港口，使航空母舰这样的庞然大物倾刻问便 “灰飞烟灭”．据军事科学家
分析，研制一艘核动力航空母舰 ，需数年时问，成 千上万个工程技术人员，数 十亿美元投
资．而一支规模宏大的 “机器虫部队”的组建，只需几个科学家不用多大的投资就可完成
1+3 微电子机械系统 (MEMS)
科学家已开始利用纳米技术制造微电机 美国关键技术委员会 向克林顿提交一份报告指
出：对先进 的纳米级技术的研究可能导致纳米机械装置和传感器的产生 ，可以在许多领域产
生突破性的进展 ．利用制造微芯片的光刻技术来制作的微电子机械系统 (简称 MEMS)，它
将电子电路和能正常运行的机器合在一起装入一个单独的微型硅壳之中，其中核心的微电机
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第 3期 韩 曼：微型机械的前景与挑战
转速每分钟可达 l0万转 ．只有削尖的铅笔头那么大小的 l伏电机 ，可成 为电子显示仪、手
表 、摄像机和激光扫描器上的动力装置 ，尤其是可用在微外科的医疗机械上 甚至可以在内
窥镜里装上一种只有几毫米宽 、能插入病人体内的人手复制品，这只小手上装有微型温度压
力传感器，当医生的手法在一个模拟的手套中动作时，这个小机械手在病人体 内做同样的动
作 ，将体内的信息反馈给医生，从而来诊断疾病 ．
医学上，另一个研究热点是让微机器人像潜艇一样潜入血管中，随血液游遍全身，在微
传感器的 “指引”下 ，瞄准有病组织 、癌细胞 、有缺陷的基因、血栓等进行 “面对面”的治
疗 ，并在完成相应的疗程后 自动 “消亡”．
MEMS技术有可能将 100万台微型机械全部装在一块硅片上 ，就如制作集成块一样 ．美
国德克萨斯仪器仪表公司已经采用 MEMS技术研制电视图像的芯片，在每块芯片表面装有成
千上万块 比头发丝还细的方形可动铝镜 ，在芯 片的电路控制上，这些铝镜可 以分别上下翻，
从而能将需要的光线反射到大屏幕上去
2 微型机械带来的新问题
微型机械将传统的机械技术引人到微型化的世界，为我们展现一个全新 的领域 ，不但涉
及到机械行业本身 ，还与纳米技术 、传感技术 、最新的通讯和信息系统 、高性能的计算机技
术 、有效高密度能源 、先进的电子封装技术 、半导体技术 、激光技术 、微光学仪器等有关 ．
微型机械使原来适用于太型机械设备的物理性能不适用 了 加州大学工程师皮斯特说 ：
“当每个部件显得很小时，原来很重要的体积、重量变得微乎其微，无关紧要．但一些与表
面相关的性质 ，如表面张力 、摩擦力等却变得十分重要 ．”如 日本曾造出米粒大小 的汽车．
但要开动很困难．困汽车太轻 、轮子太小，从而使轮子与地面磨擦力太小难于驱动车轮前
进 ，即使开动了，也会固为车用的润滑酒牯度太大而导致半路熄火 ．
由于微型飞行器的尺寸变小 ，其惯性与粘性之 比变小，空气 的粘滞性也变得越来越重
要 ．最小的微型飞行器在空气中的飞行 ，好 比蜜蜂在水里游泳
有意思的是困扰传统机械的寿命 、稳定性的问题 ，在微机械中却变成次要问题 ．正如美
国贝尔实验室主任所言：在贝尔实验 室，一 台微型机构在震荡 如 万次后 ，也仍未破损．其
主要原因在于一个徽字上，他解释说 ：“一 只小小的苍蝇从墙上摔到地面决不会受伤 ，但一
头大象捧下来一定会受伤 ”微型化具有可靠性强而且坚固的特点．
微型机械常用硅基作材料，一块硅片上可集成百万个微机械，可组成一个微机械厂，对
它不论是管理是维修是操作都与传统机械不同，它展现出一种全新的世界．
微型机械前景十分诱人，但也带来了新的问题，带来了新的挑战．面对挑战，21世纪
机械工程人员无论在思想 、技术上都要做好准备 ，迎接这场新的工业革命 ．
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