五角大樓的國防高級研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)已成功研制出了微型冷卻儀、納米質譜儀及芯片原子鐘等多種微型設備。它們不僅會成為未來戰(zhàn)場上的秘密武器，還將為人類生活帶來巨大的改變，其意義也許不遜于因特網的革命性發(fā)明。

　　英國《衛(wèi)報》的報道稱，根據DARPA的計劃，新一代便攜設備和機器人的所有組件都會被濃縮成一張芯片，以便隨時植入導航系統、雷達感應器、低溫冷卻系統以及微型動力裝置。傳感器、質譜儀等實驗室設備亦將變身為“火柴盒大小”的便攜式電子包裹。

　　40年前，英特爾公司創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾(Gordon Moore)預言處理器成本每兩年便會減半，相應地，電腦設備的體積會不斷縮小，功能則會越來越強大。如今，摩爾定律同樣適用于其他領域。微機電系統的發(fā)展早已為“微型實驗室”(lab-on-a-chip)的興起鋪平了道路。早在上世紀90年代，“微型實驗室”便得到了DARPA的大力支持。如今其實驗紀錄正不斷被刷新，各種納米版的新設備亦相繼問世。例如，超導電路和紅外傳感器之類的電子產品需要一個龐大的冷卻系統來維持低溫環(huán)境，而微型冷卻儀不僅大大降低了能耗，還可以對設備進行精確的對點冷卻。其關鍵即在于所謂的“微機熱絕緣結構”——一種以金屬鉍為原料的深度冷凍儀，只需通電便可引發(fā)用于降溫的熱電效應。它可以使約4立方厘米的空間溫度迅速降至零下200攝氏度，耗電僅為0.1瓦。

　　另一些納米儀器則有著特殊用途。例如，實驗室中通常使用水泵來運輸氣體或液體，但它們往往無法滿足大型探測器和輻射熱測量儀所需的真空條件。為此，實驗室開發(fā)了芯片級的微型真空泵，它可以產生百萬分之一的低壓。此外，研究者還利用微型成像傳感器開發(fā)出了僅重10克的芯片級紅外攝像機，它主要適用于無人駕駛飛機和夜視鏡。

　　不過，大部分發(fā)明的應用并不僅限于軍事領域，其商業(yè)前景亦被眾人看好。如芯片級原子鐘、雷達、氣體分析儀、光子儀器和其他傳感器等。其中微型原子傳感器不過芯片大小，分辨率卻毫不遜于標準產品，用途更是異常廣泛。鑒于其兼容性較強，人們可以將其插入各種設備，即時測量溫度、氣壓、磁場等各種環(huán)境因素。

　　近年來，生物恐怖主義的威脅使得DARPA開始將注意力轉移到芯片分析工具的研發(fā)上來。據格拉斯哥大學生物工程教授喬恩·庫珀(Jon Cooper)介紹，研究人員已在DNA分析技術——快速聚合酶鏈反應(PCR)等方面取得了突破。這一技術不僅可用于檢測生物武器，維護國家安全，還可用于傳染病的診斷。

　　不僅如此，DARPA還打算開發(fā)帶有微型發(fā)電裝置的熱力發(fā)動機以及能夠從周圍環(huán)境中收集能量的設備。如微型原子電池“同位素動力源”體積不足1立方厘米，功率達35毫瓦。充電時只需將芯片插入墻上的插座即可。對于士兵來說，這類儀器可以代替他們進入無人涉足的危險領域。

　　不過，庫珀亦指出，“微型實驗室”實質上是一種受益于納米技術的分析系統，在很多情況下它都無法獨立作業(yè)，而是需要植入主機系統。美國南安普敦海洋學中心的馬特·莫倫(Matt Mowlem)對此表示贊同，建設獨立的納米系統仍有諸多難題尚未解決：如集成系統的工程問題、芯片與片外系統、包裝系統、支持系統之間的互連問題等。

　　盡管如此，實現芯片儀器的自我控制仍是DARPA的重要目標之一。在計劃書中，它提出要開發(fā)“火柴盒大小、高度集成的儀器和微型系統架構”，尤其是“低功耗、體積小、重量輕的微型傳感器、微型機器人和微型通信系統”。換言之，他們致力于將“電子、機械、流體、光子和無線電/微波技術”融合在一張小小的芯片上。(譚薇/編譯)